Основы построения устройств приема и обработки сигналов

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО

 

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ, НАНОТЕХНОЛОГИЙ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

КАФЕДРА РАДИОТЕХНИКИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

 

 

 

 

 

Лекции

 

Основы построения устройств приема и обработки сигналов

 

Коротков А.С.

 

Санкт-Петербург

2017

Оглавление

Глава 1. Шумовые процессы.. 4

§1. Математические основы описания шумовых процессов. 4

§2. Спектральная плотность случайного процесса. 6

§3. Линейные преобразования случайного процесса. 8

§4. Эквивалентные шумовые схемы двух- и трехполюсников. 9

Глава 2. Структуры, классификации, характеристики приемников. 11

Цели и задачи курса. 11

§5. Основные структуры и классификация приемников. 13

§6. Основные характеристики приемного тракта. 16

Чувствительность. 16

Избирательность. 18

Верность воспроизведения. 20

Глава 3. Входные цепи. 22

§7. Назначение и основные параметры входных цепей. 22

§8. Эквивалентные схемы антенны цепи и основные структуры входных цепей. 22

§9. Ключевой анализ обобщенной структуры входной цепи. 24

§10. Электронная перестройка входной цепи. 29

Глава 4. УРЧ (резонансные усилители). 31

§11. Назначение и основные характеристики. 31

§12. Коэффициент усиления и избирательность резонансного усилителя. 32

§13. Условия устойчивости усилителя радиочастот. 36

§14. Способы уменьшения внутренней обратной связи. 39

§15. Нелинейные искажения в УРЧ. 43

§16. Линейные искажения в УРЧ. 46

Глава 5. Смесители частоты.. 48

§17. Назначение и основные характеристики. 48

Основные характеристики. 48

§18. Коэффициент передачи обобщенной схемы смесителя частоты.. 49

§19. Схемотехника смесителей частоты.. 51

Диодные схемы.. 51

Схемы на МОП-транзисторах. 54

§20. Нелинейные эффекты в преобразователях частоты. Методы уменьшения нелинейных искажений 55

§21. Приемники с двойным преобразованием по частоте. 56

§22. Инфрадинные приемники. 57

§23. Гомодинные приемники. 58

Глава 6. Амплитудный детектор. 61

§24. Основные характеристики. 61

§25. Особенности детектирования диодного АМ-детектора. 62

Детектирование в режиме слабого сигнала. 64

Анализ АМ-детектора в режиме большого сигнала. 65

§26. Нелинейные явления в АМ-детекторах. 67

Влияние разделительных емкостей в АМ-детекоре. 70

Пиковый детектор. 71

§27. Синхронное детектирование. 72

Глава 7. Частотный детектор. 73

§28. Основные характеристики. 73

§29. Схемы частотных детекторов. 75

Глава 8. Фазовый детектор. 82

§30. Основные характеристики. 82

§31. Анализ схемы фазового детектора. 82

Глава 9. Автоподстройка приемного тракта. 85

§32. Частотная АПЧ. 85

§33. Фазовая АПЧ. 90

Фазовое представление уравнения системы ФАПЧ. 93

§34. Автоматическая регулировка усиления. 96

Уравнение системы АРУ. 99

 

 

Глава 1. Шумовые процессы

Глава 2. Структуры, классификации, характеристики приемников

Цели и задачи курса

 

В самом общем случае обобщенную структуру радиотехнической системы передачи можно представить следующей диаграммой.

Назначение системы связи в том, чтобы наиболее точно восстановить на выходе системы передаваемое сообщение. Дадим следующее определение: сообщение – это информация, выраженная в определенной форме и предназначенная для передачи от источника к получателю.

Информация – это совокупность сведений, предназначенных для передачи в пространстве и во времени. Тогда сигнал – это есть материальный носитель информации, то есть это некоторый физический процесс, параметры которого соответствуют передаваемому сообщению . Таким образом, радиоприемное устройство – это функциональный узел системы связи, который предназначен для приема радиосигналов на фоне помех и преобразования принятых сигналов к виду, который обеспечивает использование имеющейся в сигнале информации.

В соответствии с функциональным назначением приемное устройство можно представить в виде устройства выделения и обработки и оконечного устройства, причем, отметим следующее: по функциональным назначениям антенна предназначена для восприятия энергии электромагнитного колебания и преобразования в радиочастотный сигнал. Устройство выделения и обработки сигналов решает следующий комплекс задач:

1) частотное селектирование – то есть выделение полезного сигнала на фоне помех, причем полоса частот, в которой находится спектр принимаемого сигнала называется «основной канал приема»; частотные полосы, которые примыкают к основному каналу могут быть заняты соседними станциями и помехами, и, поэтому называются соседними или дополнительными каналами приема; отсюда характеристика, которая описывает способность приемника селектировать так и называется – избирательность или селективность;

2) усиление принятого сигнала до уровня, который обеспечивает нормальное функционирование АЦП или детектора; отсюда характеристика определяется коэффициентом усиления приемного тракта и чувствительностью;

3) детектирование полезного сигнала – то есть выделение сигнала соответствующего передаваемому сообщению.

 

Оконечное устройство предназначено для преобразования выходного электрического сигнала к сигналу требуемого вида (например, микрофон, то есть преобразователь электрического колебания в звуковое).

Основная цель рассмотрения данного курса – Устройство выделения и обработки сигналов.

 

Чувствительность

Избирательность

Верность воспроизведения

4. Динамический диапазон (как сверху, так и снизу, то есть как по уровню нелинейных шумов, так и по уровню собственных шумов)

 

Чувствительность

 

Чувствительность приемника определяется как способность принимать слабые сигналы, причем количественно чувствительность характеризуется минимальной мощностью сигнала на входе, при котором обеспечивается заданная вероятность ошибок приема при заданном отношении сигнал-шум на выходе.

Рассмотрим некоторый приемный тракт и введем его коэффициент шума, который определяется так: это есть отношение сигнал-шум на входе, приведенное к отношению сигнал-шум на выходе. То есть, следовательно: коэффициент шума радиоприемного тракта . ,где

отношение сигнал-шум на входе ( Signal - Noise Ratio )  

отношение сигнал-шум на выходе  

 

    Введены 2 генератора шума, один из которых характеризует шум, генерируемый антенной цепью и выделяемой на сопротивлении антенны ? , а второй генератор соответствует собственным шумам приемного тракта, то есть 1 шум является наведенным из антенны, а 2-ой является собственным шумом приемника.

Введем теперь в рассмотрение коэффициент передачи по мощности: .Характеризует как передачу шумов, так и пол. сигналов. Тогда, следовательно, шум на выходе .Коэф.шума:

 Логично, т.к. на входе не может быть шумов, связанных с прохождением сигнала ч/з приемный тракт. Окончательно:

 Из формулы следует:

1) Коффициент шума всегда больше 1, значит шумовые свойства только ухудшаются

2) Для уменьшения коэффициента шума, необходимо минимизировать собственные шумы приемного тракта.

3) В основном, чувствительность определяется шумовыми свойствами преселектора, то есть коэффициентом шума входных цепей и УРЧ.

Рассмотрим оценку чувствительности Т.е. необходимой входной мощности при заданных коэффициентах шума и отношении сигнал-шум на выходе.

 

 ### Сигнал шум на входе представим дробью и выразим входную мощность полезн. сигнала

Определим мощность для шума на входе. Тогда, следовательно:

 известное соотн. для мощности через напряжение

Предположим, что известно . известна спектр. плотность мощности шума. Средняя мощность шума напряжения(среднее квадрата) с ней связана соотношением (параграф 2): ШУМ БЕЛЫЙ

Предполагаем, что шум на входе белый, то есть его спектр равномерный и не зависит от частоты.

Введем в рассмотрение полосу приемного тракта, в которой осуществляется оценка, обозначим , тогда:

 Исчезло 2 pi ,т.к. перешли к f . Получили формулу ПРОСТОГО ВИДА для средней мощности шума на входе. Теперь:

Рассмотрим мощность шума, которую отдает сопротивление  сигнала в приемный тракт в случае режима согласования по мощности. Для этого введем в рассмотрение входной импеданс тракта и обозначим его . С учетом соотношения преобразования шумов линейной схемой в приемный тракт поступит новая (!!!) спектральная плотность входного шума, которую обозначим , причем этот спектр связан с входным через квадрат передаточной функции T:

 Было соотн. ч/з | H ( w )|

Используя формулы ### и вышеприведённые :

 (1/4 из T !!!)

Таким образом:

 Получ. формула + формула для перевода в децибелы

Третье слагаемое рассматривают, как правило, через дБм, то есть рассматривают величину мощности, приведенную к нормировке 1мВт. Тогда, в результате, получаем следующую величину: k , T - физ. константы, поэтому:

 Окончательная расчётная формула для чувствительности приемника

 

Пример:

 

1.2 дБ – достижимый коэффициент шума

 

Избирательность

 

Избирательность – способность приемного тракта выделять полезный сигнал из совокупности помех по известным признакам, свойственным сигналу. При оценке частотной избирательности оговаривают, по какому каналу приема оценивается данный параметр:

Не обязательно по основному. Например, избирательность по Зеркальному каналу.

Это обусловлено нелинейными свойствами преобразующих цепей, что приводит к появлению дополнительных каналов приема, о чём говорилось ранее.

Рассмотрим, по каким каналам определяется избирательность:

1. Соседний канал приема – в основном определяется избирательными свойствами УПЧ и зависит от величины отстройки между основным каналом приема и соседним. Какой канал называем соседним?

2. С учетом нелинейных свойств тракта преобразователя частоты промежуточная частота  определяется в общем случае следующим соотношением , где m и n–целочисленные коэффициенты. Отсюда предположим, что основной канал приема определяется коэффициентами

. Выражение для ПЧ для осн. канала приёма

2.1. Тогда дополнительный канал приема соответствует коэффициентам . Зеркальный канал???

2.2. 2-ой дополнительный канал – сигнал на промежуточной частоте.То есть когда

В этом случае избирательность в основном определяется преселектором. Т.к. это тракт радиочастот? Причем, если требуются особо жесткие условия по сигналу на промежуточной частоте, во входную цепь можно вводить режекторный фильтр на .

 

Т.е. избирательность по какому-либо каналу - это способность ВЫДЕЛИТЬ ЭТОТ канал (не отрезать!!!) T - коэффициент передачи (здесь: коэф. переждачи ВЦ)

3. Дополнительные каналы приема на гармониках частоты СИГНАЛА и гетеродина точнее близких к ним(в итоге сигнал близок к промежуточной!!!).

 m , n - целые числа, подбираются так, чтобы получить приблизительное равенство частот(в зависимости от того,о каком доп. канале идет речь).При этом при n =0 частота сигнала=0, т.е. он негармонический(?). При этом Частоты близки,их разность соотв. звуковой частоте(свист?)

Необходимо повышать линейность преобразователя Чтобы избежать появления доп. каналов приема и, во-вторых, повышать избирательность УПЧ. Чтобы отбросить эти самые доп. каналы приема

P.S.: в радиовещательных приемниках такой эффект получил название «комбинационные свисты» Речь о п.3 выше?

Количественно избирательность описывается функцией избирательности. Функция определяется следующим образом:

Можно видеть, что при нулевой отстройке избирательность минимальна. С увеличением отстройки избирательность повышается.Почему???Гипотеза: без отстройки у нас проходит ВСЁ,т.е. система наименее избирательна, при отстройке прохождение более сложно???

 

Верность воспроизведения

 

Верность воспроизведения – это способность приемника в отсутствие помех(!!!) воспроизводить на выходе с заданной точностью закон модуляции принимаемого сигнала. Количественно верность воспроизведения описывается двумя группами параметров: линейные искажения и нелинейные искажения.

    Линейные искажения обусловлены инерционностью Переходные процессы? элементов приемного тракта и не сопровождаются появлением новых спектральных составляющих в выходном спектре сигнала. Нет новых спектр. составляющих

    Нелинейные искажения определяются свойствами активных элементов приемного тракта Нелинейность ВАХ, ну и наоборот, сопровождаются появлением новых спектральных составляющих в выходном спектре сигнала. Есть новые спетр. составляющие(В продетектированном сигнале???). Гипотеза: Речь идёт не о процессе преобразования частоты в преобразователях частоты(это имеет отношение к оценке избирательности(!!!), кроме того, нежелательные каналы приема отфильтровываются)

Линейные искажения подразделяются на амплитудные и фазовые. Амплитудные линейные искажения описываются т.н. характеристикой верности воспроизведения. Она представляет собой зависимость выходного сигнала от модулирующей частоты при фиксированной несущей. Завал в высокочастотной области определяется влиянием паразитных емкостей. А завал в низкочастотной области определяется влиянием разделительных цепей. Вызвано инерционностью конденсаторов

Для оценки фазовых линейных искажений используют характеристику группового временного запаздывания, которое определяется таким образом:

 Производная от ФЧХ

    Уровень нелинейных искажений описывают параметром, получившим название «значения мощности интермодуляционных искажений 2-го, 3-го,…, n-го порядка».Пусть на входе сумма 2 сигналов с близкими частотами и амплитудами(но не равными):

Найдём выходной сигнал Рассмотрим нелинейные эффекты до 3-го порядка по приведенноё ниже формуле (многочлен третьего порядка)

Используются разл. тригонометрические и алгебраические формулы, в лекции(предположительно) ошибка, вывести самому!

 

Учитывая избирательные свойства тракта промежуточной частоты, можно отметить, что на выходе возникнут колебания, обусловленные воздействием близких частот, в том числе комбинационного характера.

Основную проблему будут представлять не гармоники, как таковые, а результат перекрестных искажений.

Значение мощности перекрестных искажений 3-го порядка – это есть мощность входного сигнала на частот , при которой гармоника перекрестных искажений на частоте  равна гармонике на частоте .

По определению это есть

 ???

Глава 3. Входные цепи

Й этап:

Определяем проводимости по входу и выходу.Просто учитываем включения и пересчитываем все вещественные и мнимые проводимости!

 Откуда формула(через квадраты коэф. включения)?Подводим проводимости под КОНТУРНЫЕ(???)

Ой этап:

Определим обобщенное выражение для передаточной функции. Определим  через ток антенны и свяжем выходной потенциал через падение напряжения на контуре.

Коэф. передачи по напряжению, входное - напряжение антенны рассч.через источник тока во вх. антенной цепи, выходное - через коэф. включения. Получили формулу для K .

 

Ий этап:

Ый этап:

Рассмотрим теперь обобщенную проводимость контура входной цепи . Для этого составим выражение для вносимых проводимостей по входу и по выходу.Т.е. общую проводимость контура считаем эквивалентной "суммой" всех проводимостей: и входных, и выходных и собственных(контурных). 2 входных, 2 выходных, 3 собственных!

Разделяем слагаемые на вещ. и мнимые, образуя единое комплексное число

Как правило, реактивная составляющая проводимостей по входу и выходу соответствует емкостной реакции и поэтому включается в емкостную составляющую контура.То есть реактивные составляющие проводимостей антенны и входа УРЧ - ёмкости! Выносим G э за скобку, а затем вводим рез. частоту w 0.Выражаем L к через w 0!выносим за скобку w 0!!!

Суммарная вещ. проводимость(по вх,вых и контуру)

 Рез частота соответствует эквивалентной добротности входной цепи. Тогда: Эквивалентная добротность:

Вводим параметры обобщенной расстройки контура :

Иными словами, общая мнимая проводимость контура ВЦ- это и есть обобщенная расстройка!

 

Ый этап:

Определим передаточную функцию  с учетом избирательных свойств входной цепи. Т.е. подставим Y к в уже полученную формулу для коэф. передачи, представив экв. вещ. сопротивление как величину, обратную экв. вещ. проводимости!

 

1. АЧХ:

 Коэф. передачи как функция от обобщенной расстройки. Корень - модуль из компл. числа

ФЧХ:

 "минус"Фаза через арктангенсы.Запомнить(?)

3.  Коэф передачи на частоте настройки(на обобщ. расстройке настройки). На частоте настройки расстройка=0!

Ой этап:

Проведем анализ избирательности входной цепи в настроенном и ненастроенном режиме.Уже имея коэффициент передачи в зависимости от расстройки!

 

1. Ненастроенная антенна  Антенна!!!Не ВЦ

Пренебрегая активными составляющими, получим: Берем реактивную часть(почему?)

Настроенной!Отсюда выражаем Ca !Тогда на частоте НАСТРОЙКИ w 0(не wa !):

Рассмотрим поведение : Следствие из формулы выше для K 0

 

Отсюда возможно 3 варианта: Оценка знаменателя формулы для K 0

1. Частота настройки антенны ниже, чем диапазон перестройки входной цепи . Ниже нижнего предела

2. Частота настройки антенны выше, чем диапазон перестройки входной цепи . Выше верхнего предела

3.

 

1.  Видно,что ДО диапазона,т.е. когда частота ниже диапазона перестройки,характер K убывающий???Высокая раномерность в диапазоне перестройки ВЦ.

 

2.  Пренебрегли всем,кроме очень большого отношения квадратов частот. Видно,что ДО wa ,т.е. когда частоты из всего диапазона меньше wa характер возрастающий

(На рисунке изображена огибающая разных АЧХ)

 

3. Для реальных схем в случае  разрыва нет, поскольку в импедансе присутствует сопротивление потерь, поэтому знаменатель не будет равен 0.

 

Зависимость в строгом смысле соответствует функции , но не функции .

В случае 1 амплитуда АЧХ не меняется. Это доминирующий случай, так как здесь наблюдается низкая неравномерность изменения K0 в диапазоне перестройки входной цепи.

 

2. Настроенная антенна

В этом случае: Берем вещественную часть сопротивления антенны, т.к. по полученной формуле вверху для Xa ~ 1- wa ^2/ w 0^2=0.

 

В случае настроенной антенны необходимо определить коэффициенты включения. Предполагая, что входной импеданс УРЧ велик, целесообразно использовать полное включение по выходу (n=1). Тогда из условия согласования определяют коэффициент включения по входу при заданном значении . Проверить:

 – условие согласования

Отсюда:

 

Получили связь петлевого коэф. усиления и коэф. усиления в прямой ветви при нулевой расстройке( max ?). Далее выразим коэф. устойчивости, а затем - коэф. усиления по прямой ветви при нулевой расстройке Через коэф. устойчивости

Выходной ток/входное напряжение=параметр Y 21=крутизна вых. ВАХ

Нелинейные искажения в УРЧ

 

    Нелинейные искажения обусловлены нелинейными свойствами активных элементов УРЧ и приводят к появлению дополнительных спектральных составляющих в выходном сигнале.

    Рассмотрим зависимость тока, протекающего через активный элемент от приложенного напряжения. вых ВАХ?

 Рассмотрим влияния небольшого приращение входного напряжения. Разложим выходной ток по малому параметру(в знаменателе - факториал от порядка производной)

 Производная на графике ВАХ - крутизна, вторая производная - производная крутизны и т.д. Именно крутизна(скорее даже ее производные!) и является оценкой "кривизны"(нелинейности) ВАХ

    Рассмотрим простейший случай АМ колебания однотонального типа, причем рассмотрим 4 подслучая:

1) воздействует только сигнал несущей;

2) 1 сигнал, соответствующий однотональному АМ-колебанию;

3) 2 немодулированных сигнала;

4) 2 сигнала, соответствующих однотональному АМ-колебанию.

По формуле (1):

1.  Модуляции нет?Есть только однотональный сигнал. Подставляем этот сигнал вместо ∆ u

 формула понижения степени и разбиение на отд. слагаемые, формула понижения для куба постоянные слагаемые включаем в I 0', быстроосциллирующие выбрасываем(т.к. избирательная цепь настроена на несущую)

    Кроме того, в спектре тока будет присутствовать 2-ая и 3-я гармоника т.е. 2 w 0 и 3 w 0 от несущей. Однако коль скоро избирательная цепь настроена на частоту , то как 2-ая, так и 3-я гармоники будут подавлены. Таким образом, окончательно, переменная составляющая тока есть:

 Постоянную составляющую отбросили, т.к. она не добавляет спектральных составляющих и не дает вклада в нелин. искажения

Отсюда из формулы следует, имеется 3 возможных случая:

Линейные искажения в УРЧ

 

 АМ-сигнал

Его спектр:

Тракт настроен на частоту несущей w0. Изобразим АЧХ и АФХ:
Линейные искажения подразделяются на амплитудные и фазовые, связаны с инерционностью элементов.

Запись входного АМ сигнала, отражающая его спектральные составляющие и их амплитуды. Запомнить!

Для линейного случая можно использовать принцип суперпозиции, т.е. разложим Выходной сигнал по спектральным составляющим. Новых при линейных искажениях не появляется. Следовательно:

 Коэффициент усиления(передачи) УРЧ в общем случае равен(доказывалось ранее): (его модуль и при нул. расстройке): Т.е. модуль Коэф-та. передачи выражается через коэф. передачи при нулевой расстройке

 Фаза

1.  Сигнал на несущей, умноженный на коэф. передачи. Косинус - это вещ. часть компл. числа в триг. форме

 Поэтому так.Фаза=0.

2.  Здесь коэф. передачи уже учитывает расстройку,фаза НЕ =0,поэтому более полная запись.

3.  Аналогично для второй боковой. Таким образом,выходной сигнал запишется через сумму(после взятия соотв. вещ. частей,Фаза тоже входит в косинус!):

 Применена формула преобразования В произведение косинусов(?)

Выводы:

1. Искажения несущей не происходит . Разве?Подозрение,что в формуле ошибка(?)Скобки?Добавил свою скобку(возможно ошибка)

2. Изменяются амплитуды боковых, поскольку изменяется коэффициент глубины модуляции в зависимости от расстройки.

Глава 5. Смесители частоты

Основные характеристики

 

    1-ая характеристика – коэффициент передачи смесителя. В отличие от линейной схемы, нельзя ввести понятие передаточной функции, поскольку аргументы входного воздействия и отклика различны.

В этой связи в качестве коэффициента передачи используют отношение амплитудных значений: на разных частотах! коэффициент передачи смесителя:

2-ая характеристика – коэффициент нелинейных искажений .Как правило, могут рассматриваться гармоники промежуточной частоты по отношению к входному сигналу. Имеются в виду искажения спектра(?). Форма должна быть такой же после преобразования(?)

3-ий параметр –уровень собственных шумов.

 

Сократим на косинусы

; Вспомним, что такое коэф. передачи смесителя, найдём его отсюда:

 Коэф. передачи смесителя через проводимости (смесителя,выходную,нагрузочную(контурную)). Уточнить индексацию!!!!!!Что за нули и единицы?При разных n в разложении Фурье?

  Окончательное выражение для коэф. передачи смесителя

Диодные схемы

 

Рассмотрим диодную схему (1-ый случай): Индуктивные связи по входу и выходу, смеситель - единичный диод

В простейшем случае схема представляет собой следующую структуру:

УПЧ здесь не рассматривается, избирательной цепи нет, поэтому:

Выходной ток  содержит гармоники, обусловленные воздействием как сигнала, так и гетеродина, то есть на выходе будут присутствовать сигналы на промежуточной частоте, на несущей и гетеродина. В этой связи используют балансные структуры.

 

В этой связи рассмотрим 2-ой случай т.н. двухтактной схемы:

    Сигнал приложен к диодам противофазно, в то время как гетеродин – наоборот, синфазно. Обозначим полярности сигнала знаками  и , и тогда, в линейном приближении, определим ток через диод в виде такого функционального соотношения:

Т.е. к диодам приложение разное напряжение. К первому - верхний потенциал(+) напряжения сигнала и верхний потенциал (+) U г (с учетом коэф. включения?)Ко второму - нижний потенциал (-) напряжения сигнала и верхний потенциал(+) U г. Запомнить схемотехнику!

 Рассм. паразитную сумму(помехи),то что лучше бы не попадало на выход!

    И второй ток через 2-ой диод:

    Причем: В силу симметрии либо коэф. включения(?)

    Тогда выходной ток есть разность диодных токов (верхний минус нижний) => как бы подводим к выходному напряжению(стрелка вниз).

Контура еще нет, выходная проводимость - выход смесителя(ПЧ). Ток = проводимость*напряжение

При этом сюда входят гармоники ПЧ,С и Г(?)

    Таким образом, в двухтактной схеме осуществляется подавление сигнала гетеродина, который на выход не проходит. Однако входной сигнал на выход может просачиваться. Это плохо?! (Да)

 

Отсюда, 3-ий случай:

 

    Дополнили 2хтактную схема еще 2мя перекрестными ветвями с диодами, получили 4хтактную схему. Рассмотрим протекание тока на примере  и . При этом предполагаем, что колебание гетеродина включается через генератор с конечным внутренним сопротивлением. То есть учитываем внутр. сопр. гетеродина(т.е. генератора напряжения,внутр сопр. вкл. последовательно к нему)Тогда:

    На выходе имеем следующее:

 Запомнить! Здесь разница в том,что теперь гетеродин подключается к диодам 3 и 4 - противофазно!

И какой физический смысл? Выходной ток отсутствует?Или на выходе нет ни сигнала гетеродина, ни основного сигнала, они ,сл-но,не просачиваются.

Схемы на МОП-транзисторах

Схема на 2-х транзисторах:Запомнить!В кач-ве гетеродина простейший ГСТ

Напоминает токовое зеркало?Не факт!

Схема Гильберта: Запомнить! Внизу ГСТ! 3 пары МОП-транзисторов

 

С выхода 2-го смесителя:

Таким образом показали, что сигнал с частотой  пройдет через приемный тракт и попадет в УПЧ-2. То есть прошёл дополнительный канал!

Таким образом  То есть паразитный сигнал, рассматриваемый на входе 2го смесителя.Формула примерно такая же что и для 1го зеркального канала.

    Принимая во внимание структуру приемника с двойным преобразованием, делаем вывод, что УПЧ-1 «выполняет роль» преселектора для 2-го каскада преобразования, следовательно осуществляет избирательность по 2-му зеркальному каналу.

 

Инфрадинные приемники

 

    Такая структуру используется, если несущая частота не очень велика, и тогда выбирается выше, нежели чем сигнал, то есть:

 Больше,чем максимальная частота в спектре вх. сигнала

Тогда:

"+" Нет необходимости перестраивать преселектор. Почему? Т.к. ПЧ высока по сравн. с сигналом, то достаточно поставить ФНЧ и дополнительный канал на ПЧ(и ЗК!) не попадут на смеситель. Перестройка осуществляется за счет частоты гетеродина. Меняя частоту гетеродина, меняем ПЧ.

    Показываем, что АЧХ выбирается так, чтобы пропустить спектр сигнала и при этом осуществлять подавление по дополнительным каналам приема.

 Лишний индекс(быть внимательным)ПЧ1=ПЧ(у нас не двойное преобразование!)

    "+" Третьим преимуществом инфрадинной схемы является эффективная перестройка по частоте гетеродина.

    Покажем преимущество на примере

1. Обычный приемник. Пусть задана полоса вх сигнала и ПЧ близкое к несущей(нижняя граница диапазона сигнала).Тогда коэф. перекрытия диапазона по частоте гетеродина = 50, т.е. необходимо разбиание на поддиапазоны.

    Диапазон перестройки очень широк и необходимо его разбивать на 4-5 поддиапазонов.

Гомодинные приемники

 

 

 Здесь сигнал гетеродина равен входному сигналу(подстраивается на него?).Поэтому ПЧ=0 => Преобразование на постоянный ток. Спектр входного сигнала переносится в область, близкую к 0, поэтому в качестве избирательной цепи после смесителя ставится ФНЧ.

Для повышения помехоустойчивости используется квадратурная обработка сигналов и, следовательно, реальная схема имеет вид:

Долговременная.

 Рассмотрим пример: Частота гетеродина не всегда выше, напомню ПЧ выражается как МОДУЛЬ разности частот сигнала и гетеродина. Для гомодинного приемника частота сигнала ~ частота гетеродина. ПЧ ~ 0.Зададим долговременную нестабильность частоты гетеродина и полосу УПЧ

Из-за влияния параметров среды изменилась частота гетеродина в соответствии с этим соотношением. Тогда уход частоты гетеродина составил:

 20 кГц Следовательно,изменилась ПЧ и вышла за пределы избирательности УПЧ

Следовательно

    Обыкновенный LC-генератор обеспечивает долговременную стабильность. Примеры стабильностей разл. генераторов:

1.

2.

3.  => Лучше всего кварцевый ГУН

Долговременная стабильность обусловлена влиянием параметров окружающей среды (температура).

 

Кратковременная.

Еще одним критерием является кратковременная нестабильность частоты ГУН. Этот эффект обусловлен воздействием шумовых свойств элементов ГУН на выходное колебание.

 сигнал гетеродина.

Учтем "гуляющую" амплитуду и "гуляющую" фазу. Введем некий "сигнал ошибки"(затем зачем-то пренебрежем им),изменяющийся во времени.Поэтому учитываем только "фазовый шум".Частот w 0 гетеродина = частота сигнала

Воздействие шумов можно рассматривать как паразитную фазовую модуляцию.

 "Гуляющая" фаза,  - индекс модуляции

Фазомодулированный сигнал(как у нас в курсовом проекте):

(Применим косинус суммы 2х аргументов,произведение синусов и сделаем ряд пренебрежений,в том числе sin  = ) .Запомнить!

Труднозапоминаемо! Но в итоге получили 3 гармоники.Для тонального сигнала гуляющей фазы. В общем случае "уширение спектральной линии"

Влияние шумов гетеродина приводит к эффекту интерференции сигнала и помехи.

1) Шумов нет, а на входе сигнал и помеха рисунок слева; 2) Реальный случай (справа) Разобраться!!! В ид. случае гармоники это столбики,в реальном - "пирамидки"(спектральные уширения).

 

Основные характеристики

 

    Амплитудные детекторы предназначены для выделения огибающей входного сигнала. Входной сигнал - АМ!

 

1. Коэффициент передачи

Коэффициент передачи определяется как отношение амплитуды выходного сигнала к амплитуде огибающей входного. Отношение амплитуд, причём амплитуда входного есть

Выходной сигнал зависит от , входной от обеих частот!

Откуда Куб???

Это уравнение для поиска Теты!

 

Определим входной импеданс в режиме большого сигнала

Первый коэф. Фурье

 было чуть выше .Подставляем в формулу для входного импеданса:

Далее приближения синуса и косинуса (тета мало)Запомнить!

Подставляем вместо теты соотв. формулу:

 Запомнить!

В режиме детектирования большого сигнала входной импеданс определяется сопротивлением нагрузки, то есть является большим по величине.

 

Известно из курса ТЭЦ

 – напряжение, до которого конденсатор зарядился

Найдем производные

Второе неравенство: почему так?

1. Предположим, что конденсатор зарядился до максимального значения огибающей.

2. Предположим, что процесс начался в момент времени

Макс. напряжение на конденсаторе:

 = Это разве макс. значение?

 Всё просто!А здесь были ошибки!Возвращаемся к неравенству скоростей,упрощаем его

Пост. времени= RC

Данное выражение должно выполняться в наихудшем случае и почему?Вроде бы составляли неравенство для норм. ситуации, то есть когда правая часть максимальна. Следовательно, необходимо исследовать эту функцию на экстремум. Запомнить!

Тогда Ноль знаменателя

При большой глубине модуляции простейшая оценка выглядит таким образом:

    Таким образом, с учетом выражения (*), получаем соотношения, позволяющие связать постоянную времени с двумя характеристиками: с частотой модуляции и с частотой несущей.

 

Пиковый детектор

 

    В этом режиме АМ-детектор должен выделять максимальное значение огибающей:

    Для формирования такого режима необходимо обеспечить большую постоянную времени. То есть, величина  должна быть значительно больше, чем период  как одного колебания, так и другого.

В таком режиме конденсатор заряжается до максимального значения огибающей за несколько полупериодов и далее сохраняет неизменным напряжение нагрузки. Такой режим используется в системах автоматической регулировки усиления.

 

Синхронное детектирование

Напоминает гомодинный приемник(?)Но лишь напоминает!Это Детектор,а не смеситель,и он здесь осуществляет перемножение,а не вычитание!

Синхронное детектирование осуществляется путем перемножения входного сигнала с опорным колебанием, частота которого равна частоте несущей . В этом случае на выходе перемножителя выделяется сигнал огибающей и сигнал 2-ой гармоники несущей. Отсюда за смесителем устанавливают ФНЧ, который отфильтровывает 2-ую гармонику.

Запишем перемножаемые сигналы:

Понижение степени

 

 Это что?

На выходе ФНЧ имеем одну гармонику(огибающей):

    Отметим, что в случае наличия разности фаз между сигналом опоры и , выходной будет таким:

Отсюда, если , то . Уменьшение по амплитуде?

Глава 7. Частотный детектор

Основные характеристики

        

1. Детекторная характеристика: зависимость  от

Частота основного сигнала то уменьшается, то увеличивается(ЧМ-сигнал) => имеет место величина "отклонения" частоты . От этого отклонения зависит вых. напряжение, которое в итоге изменяется с частотой модуляции F

Схемы частотных детекторов

Принцип действия тот же, преобразование ЧМ в АМ.

Выходное напряжение с ЧД(было). Перейдём от частоте к обобщ. расстройке, взяв последовательно 2 производных(изменим переменную дифференцирования) и получим выходное напряжение ЧД в зав-ти от обобщ. расстройки.

Производная от расстройки по девиации частоты находим из имеющегося соотношения и (?) видим, что она и равна обобщ. расстройке. Тогда крутизна детекторной х-ки ЧД:

Дробный детектор

Анализ напряжений, приложенных к диодам, аналогичен предыдущему случаю. Рассмотрим, как формируется выходной сигнал . Диоды направлены в разные стороны!

Глава 8. Фазовый детектор

Основные характеристики

 

    Фазовый детектор преобразует напряжение, модулированное по фазе в напряжение, изменяющееся в соответствии с модулирующей функцией. То есть выделяет частоту изменения Фазы!Выделяет закон изменения Фазы!

Перечислим основные характеристики:

1. Детекторная характеристика, то есть зависимость выходного напряжения детектора от разности фаз между опорным и детектируемым колебанием. .   - девиация Фазы(или=Разность фаз между опорным и промодулированным сигналом).Для запоминания - детекторная х-ка ФД похожа на Обратную функцию от дет.х-ки ЧД!

2. Крутизна

3. Уровень гармоник выходного колебания

 

Как избивились от корней?

Отметим:

1) Выходной сигнала фазового детектора также зависит от амплитуды входного колебания. Следовательно, целесообразно использовать амплитудный ограничитель.

2) Если теперь сдвинуть на  фазу между входным колебанием и опорным, то тогда получим следующее соотношение для выходного сигнала, то есть для детекторной характеристики:

Если теперь фазы опорного колебания и входного близки , то:

Если теперь , то окончательно получаем:

 То есть слагаемое с частотами обнуляется.

 

Окончательно получаем следующую иллюстрацию:

В линейной части крутизна : линейная функция

Частотная АПЧ

Частотная АПЧ (ЧАПЧ)

2. Фазовая АПЧ (ФАПЧ)

 

Частотная АПЧ позволяет уменьшить ошибку частоты гетеродина, однако остается некоторая постоянная составляющая ошибки, обусловленная принципом работы системы. Как следствие, для точной подстройки (то есть для синхронизации по частоте) используется 2-ая система – ФАПЧ. При этом ФАПЧ обеспечивается нулевую ошибку по частоте, однако остается ненулевая фазовая ошибка (то есть разность фаз между опорным колебанием и колебанием частоты гетеродина).

 

1-ый этап:

Изобразим структурную схему ЧАПЧ:

УПЧ настроен на ПЧ! Но из-за девиации частоты гетеродина изменяется и сама ПЧ! Таким образом через УПЧ проходит не ПЧ, а некая близкая к ней.Будем иметь искажения на выходе. Для этого нужно минимизировать отклонение частоты гетеродина.

 

Введем в рассмотрение детекторную характеристику и характеристику управления частотой гетеродина. Тогда:

Предполагаем, что произошло изменение частоты гетеродина. Обозначим его: . Вследствие изменения  – изменилась и промежуточная. Обозначим изменение промежуточной частоты . Предполагая линейный режим работы, можно записать: .

Изобразим саму зависимость:

Фазовая АПЧ

 

Здесь немного по другому! Рассм. разность фаз сигнала гетеродина и ОПОРНОГО ГЕНЕРАТОРА!

Назначение системы ФАПЧ аналогично предыдущему случаю, однако, в отличие от частотной АПЧ, ФАПЧ обеспечивают нулевую ошибку по частоте (однако фазовая ошибка, как правило, остается).

График чуть выше(?)

Анализ аналогичен предыдущему случаю, однако в точке равновесия возникает остаточная фазовая ошибка, то есть система ФАПЧ устраняет рассогласование по частоте, но оставляет рассогласование по фазе.

Проблема согласованности:

 

3.

Отмечаем, что отсутствуют участки изменения знакопроизводных. В данном случае производная все время больше 0. То есть функця  будет постоянно увеличиваться. То есть точки равновесия отсутствуют. Система в синхронизм не входит.

Изменение скорости нарастания ошибки  определяется гармоническим характером функции и соответствует нелинейному участку детекторной характеристики.

Приведем пример ФНЧ с т.н. интегрирующим фильтром:

 ЭТО ШТА

С комбинированной связью.

Приведем эти структуры:

ПД – пиковый детектор

ЦУ – цепь управления

Определенным недостатком такой структуры является влияние инерционности петли обратной связи на быстродействие АРУ. Поскольку при большом сигнале осуществляется воздействие на усилитель, что приводит к возникновению нелинейных искажений, и только потом начинает работать петля обратной связи. Дополнительный усилитель используется для формирования управляющего сигнала, как правило, в режиме близком к УПТ, поскольку сигнал с пикового детектора, как правило, очень мал.

 

В этой связи возникает другая структура:

В этом случае инерционность усилителя сказывается в меньшей степени, поскольку сигнал одновременно подается и в петлю регулировки, и на усилитель. При этом учитывается, что инерционность дополнительного усилителя сказывается в меньшей степени, поскольку его избирательность мала.

Недостаток для такого типа структур – перегрузка дополнительного усилителя большим входным сигналом (в критических ситуациях это может требовать включения системы АРУ и для дополнительного усилителя).

Отсюда вытекает 3-я структура:

    Осуществляется регулировка нескольких каскадов, при этом удается снизить требования к усилению дополнительных усилителей. Поскольку удается снизить эти требования, первый каскад  осуществляет предварительное усиление входного сигнала, что делает возможным пропорционально уменьшить усиление дополнительного усилителя в петле опережающей связи.

    Разбиение на несколько каскадов (в данном случае на 2) позволяет уменьшить избирательность каждого из них, следовательно, снизить инерционность каждого каскада. Следовательно, инерционные свойства 1-го каскада сказываются на АРУ с обратной связью в меньшей степени.

    Отметим, что в качестве основной характеристики АРУ используется коэффициент регулирования, который представляет отношение максимального коэффициента усиления регулируемого усилителя к минимальному коэффициенту усиления.Т.е. коэффициентусиления МЕНЯЕТСЯ

 Максимальному значению К соответствует отношение минимальных амплитуд: Почему так????????!!!!!!!!!!!!

Таким образом показали, что этот коэффициент соответствует отношению динамического диапазона входного и выходного сигнала.

    Рассмотрим методы регулирования коэффициента усиления.

    Для типового УРЧ коэффициент усиления будет определяться соотношением вида:

Отсюда следует, что существует 2 вида К.

Изменение коэффициента включения не технологично. Изменение проводимости контура приводит как к изменению усиления, так и полосы. Поэтому на практике, как правило, используется регулировка К за счет изменения крутизны. В этой связи, простейший вариант может выглядеть таким образом:

 

Уравнение системы АРУ

 

    Рассмотрим систему с обратной связью и введем соответствующую переменную:

1) Рассмотрим 2 режима работы (без учета и с учетом системы АРУ). Обозначим номинальные значения параметров с индексом 0 и введем соответствующий набор функций. Отметим номинальные значения, которые в простейшем случае соответствуют разомкнутой системе. Определим сигнал управления.

2)

Предполагая линейный режим работы петли обратной связи, можем записать для управляющего сигнала соответствующее выражение:

3) Рассмотрим изменение коэффициента усиления в зависимости от изменения управляющего сигнала. Для этого рассмотрим функциональную зависимость вида:

д

Первое слагаемое соответствует номинальному значению. 2-ое слагаемое соответствует производной.

4) Определим выходное напряжение при включенной системе АРУ:

Второе слагаемое второго порядка малости, sпоскольку входят 2 параметра: .

 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО

 

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ, НАНОТЕХНОЛОГИЙ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

КАФЕДРА РАДИОТЕХНИКИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

 

 

 

 

 

Лекции

 

Основы построения устройств приема и обработки сигналов

 

Коротков А.С.

 

Санкт-Петербург

2017

Оглавление

Глава 1. Шумовые процессы.. 4

§1. Математические основы описания шумовых процессов. 4

§2. Спектральная плотность случайного процесса. 6

§3. Линейные преобразования случайного процесса. 8

§4. Эквивалентные шумовые схемы двух- и трехполюсников. 9

Глава 2. Структуры, классификации, характеристики приемников. 11

Цели и задачи курса. 11

§5. Основные структуры и классификация приемников. 13

§6. Основные характеристики приемного тракта. 16

Чувствительность. 16

Избирательность. 18

Верность воспроизведения. 20

Глава 3. Входные цепи. 22

§7. Назначение и основные параметры входных цепей. 22

§8. Эквивалентные схемы антенны цепи и основные структуры входных цепей. 22

§9. Ключевой анализ обобщенной структуры входной цепи. 24

§10. Электронная перестройка входной цепи. 29

Глава 4. УРЧ (резонансные усилители). 31

§11. Назначение и основные характеристики. 31

§12. Коэффициент усиления и избирательность резонансного усилителя. 32

§13. Условия устойчивости усилителя радиочастот. 36

§14. Способы уменьшения внутренней обратной связи. 39

§15. Нелинейные искажения в УРЧ. 43

§16. Линейные искажения в УРЧ. 46

Глава 5. Смесители частоты.. 48

§17. Назначение и основные характеристики. 48

Основные характеристики. 48

§18. Коэффициент передачи обобщенной схемы смесителя частоты.. 49

§19. Схемотехника смесителей частоты.. 51

Диодные схемы.. 51

Схемы на МОП-транзисторах. 54

§20. Нелинейные эффекты в преобразователях частоты. Методы уменьшения нелинейных искажений 55

§21. Приемники с двойным преобразованием по частоте. 56

§22. Инфрадинные приемники. 57

§23. Гомодинные приемники. 58

Глава 6. Амплитудный детектор. 61

§24. Основные характеристики. 61

§25. Особенности детектирования диодного АМ-детектора. 62

Детектирование в режиме слабого сигнала. 64

Анализ АМ-детектора в режиме большого сигнала. 65

§26. Нелинейные явления в АМ-детекторах. 67

Влияние разделительных емкостей в АМ-детекоре. 70

Пиковый детектор. 71

§27. Синхронное детектирование. 72

Глава 7. Частотный детектор. 73

§28. Основные характеристики. 73

§29. Схемы частотных детекторов. 75

Глава 8. Фазовый детектор. 82

§30. Основные характеристики. 82

§31. Анализ схемы фазового детектора. 82

Глава 9. Автоподстройка приемного тракта. 85

§32. Частотная АПЧ. 85

§33. Фазовая АПЧ. 90

Фазовое представление уравнения системы ФАПЧ. 93

§34. Автоматическая регулировка усиления. 96

Уравнение системы АРУ. 99

 

 

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: