Вещательные радиоприемные устройства

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

             Инженерно-технологическая академия




           В. С. ПЛАКСИЕНКО
           Н. Е. ПЛАКСИЕНКО



ВЕЩАТЕЛЬНЫЕ
      РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА




Учебное пособие














Ростов-на-Дону - Таганрог
        Издательство Южного федерального университета
2020

УДК 621.391.262(075.8)+621.391.24(075.8)
ББК 32.811.3
     П371
Печатается по решению кафедры встраиваемых и радиоприемных систем Института радиотехнических систем и управления Южного федерального университета
(протокол № 7 от 14 января 2020 г.)
Рецензенты:
     доктор технических наук, профессор, профессор кафедры САУ Института радиотехнических систем и управления А. Р. Гайдук
кандидат технических наук, старший научный сотрудник, начальник службы качества, ученый секретарь АО «ТНИИС» А. Ф. Гришков

     Плаксиенко, В. С.
П371     Вещательные радиоприемные устройства : учебное пособие /
      В. С. Плаксиенко, Н. Е. Плаксиенко ; Южный федеральный университет. - Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2020. - 126 с.
           ISBN 978-5-9275-3561-3
           В учебном пособии изложены различные принципы построения вещательных радиоприемников. Приведены методики расчетов основных параметров. Рассматриваются вопросы моделирования и исследования каскадов радиовещательных приемных устройств.
           Предназначено для студентов высших учебных заведений радиотехнических специальностей, обучающихся по направлениям ”Радиотехника” и ”Инфокоммуникационные технологии и системы связи”.
УДК 621.391.262(075.8)+621.391.24(075.8)
ББК 32.811.3
ISBN 978-5-9275-3561-3


                                  © Южный федеральный университет, 2020
                                  © Плаксиенко В. С., Плаксиенко Н. Е., 2020
                                  © Оформление. Макет. Издательство
Южного федерального университета, 2020

ВВЕДЕНИЕ


      Настоящее учебное пособие является продолжением изданных ранее в Южном Федеральном университете учебных пособий по читаемым авторами курсам «Устройства приема и обработки сигналов «УПиОС» и «Основы приема и обработки сигналов» ОПиОС» в течение ряда лет.
      В учебном пособии рассматриваются особенности постороения и исследования различных схем устройств приема и обработки сигналов. Приводятся методики их расчета. Значительное внимание уделено построению моделей схем основных каскадов приемника и методике анализа их работы с использованием программы схемотехнического моделирования MicroCap.
      В учебниках [1, 5, 6] и учебных пособиях [8-13], изданных при участии авторов настоящей работы, а также в работах [2, 3, 4, 7, 23-27], детально рассматриваются узлы радиоприемных устройств, особенности их работы и их расчета.
      Серьезное внимание в предлагаемом пособии уделено экспериментальному определению основных параметров приемников, в частности преселекторов, преобразователей частоты и детекторов.
      Выполнен анализ систем автоматического регулирования усиления и автоподстройки частоты.
      Уделено внимание особенностям расчета функциональных и принципиальных схем радиовещательных приемников монофонического и стереофонического вещания. Проведено рассмотрение не только приемников классического супергетеродинного типа, но и инфрадинных.
      Анализируются некоторые особенности построения и проблемы, связанные с возможностями внедрения в России цифрового радиовещания.
      Пособие предназначено для студентов старших курсов, обучающихся по направленности (профилю) «Радиотехнические средства связи, локации и защиты информации» и будет полезно магистрантам и аспирантам соответствующих специальностей.

3

1. КЛАССИФИКАЦИЯ РАДИОПРИЕМНИКОВ


      Современные устройства приема и обработки сигналов (УПОС) состоят из собственно радиоприемных устройств (РПрУ) и устройств обработки сигналов. Под радиоприемным устройством понимают часть приемного комплекса, содержащую тракты радиочастоты, промежуточной частоты и демодулятор. Остальную часть, в том числе декодеры, УНЧ и т.д., относят к устройствам обработки. Радиоприемным называется устройство, предназначенное для приема, преобразования и усиления сообщений, передаваемых с помощью электромагнитных волн.
      В общем случае РПрУ состоит из приемной антенны, приемника и оконечного устройства.
      В антенне (А) под действием электромагнитного поля возникают электрические колебания, которые подаются на вход приемника.
      В приемнике происходит выделение нужного сигнала из множества других сигналов. Сигналом называется электрическое отображение сообщения, несущее полезную информацию. Это обычно напряжение или ток, один из параметров которого (амплитуда, частота, фаза и др.) изменяется в зависимости от характера сообщения.
      Прием можно разбить на три этапа:
      - усиление полезного сигнала;
      -       обработка принимаемого сигнала с целью уменьшения влияния помех;
      -       детектирование высокочастотного сигнала для выделения сообщения.
      Однако это относительно, так как, например, первый и второй этапы могут выполняться одновременно одним функциональным узлом.
      Радиоприёмные устройства делятся по следующим признакам [1-15]:
      -       по основному назначению: радиовещательные, телевизионные, связные, пеленгационные, радиолокационные, систем радиоуправления, телеметрические, измерительные и др.;
      -       роду работы: радиотелеграфные, радиотелефонные, фототелеграфные, передачи данных и т.д.;

4

1. Классификация радиоприемников

      -       виду модуляции, применяемой в канале связи: амплитудная, частотная, фазовая;
      -  диапазону принимаемых волн, согласно рекомендациям МККР:
         - мириаметровые волны - 100-10 км, (3 кГц-30 кГц), СДВ;
         - километровые волны - 10-1 км, (30 кГц-300 кГц), ДВ;
         - гектометровые волны - 1000-100 м, (300 кГц-3 МГц), СВ;
         - декаметровые волны - 100-10 м, (3 МГц-30 МГц), КВ;
         - метровые волны - 10-1 м, (30 МГц-300 МГц), УКВ;
         - дециметровые волны - 100-10 см, (300 МГц-3 ГГц), ДМВ;
         - сантиметровые волны - 10-1 см, (3 ГГц-30 ГГц), СМВ;
         - миллиметровые волны - 10-1 мм, (30 ГГц-300 ГГц), ММВ;
      -       приёмник, включающий все широковещательные диапазоны (ДВ, СВ, КВ, УКВ) называют всеволновым;
      -       принципу построения приёмного тракта: детекторные, прямого усиления, прямого преобразования, регенеративные, сверхрегенераторы, супергетеродинные с однократным, двукратным или многократным преобразованием частоты;
      -      способу обработки сигнала: аналоговые и цифровые;
      -       применённой элементной базе: на кристаллическом детекторе, ламповые, транзисторные, на микросхемах;
      -       исполнению: автономные и встроенные (в состав другого устройства);
      -      месту установки: стационарные, носимые;
      -      способу питания: сетевое, автономное или универсальное.
      Радиовещательные и телевизионные приемники называют бытовыми приемными устройствами. Связные, пеленгационные, радиолокационные, систем радиоуправления, измерительные и другие виды приемников, решающих специфические задачи, называют профессиональными приемными устройствами.
      В приёмниках применяется либо прямое усиление радиосигналов до демодулятора, либо усиление с гетеродинным преобразованием частоты. Бытовые приемные устройства обычно строятся по супергетеродинной схеме с преобразованием входного сигнала в низкую промежуточную частоту. Недостаток супергетеродинных приёмников - наличие побочных каналов приёма, из которых наиболее опасными являются зеркальный и прямой каналы. Ослабление приёма по побочным каналам осуществляется

5

                Вещательные радиоприемные устройства повышением селективности преселектора и линейности усилителя радиочастоты (УРЧ), а также правильным выбором значения промежуточной частоты fₙ [2, 13].
      Необходимость существенного улучшения избирательности и помехоустойчивости привела к увеличению числа контуров в тракте приема. Дальнейшему совершенствованию линейного тракта приема бытовых устройств препятствует большое количество моточных изделий - катушек индуктивности.
      Принцип работы радиоприёмника заключается в следующем. Колебания электромагнитного поля (смесь полезного радиосигнала и помех разного происхождения) наводят в антенне переменный электрический ток. Полученные таким образом электрические колебания фильтруются для отделения требуемого радиосигнала от нежелательных (помех). Радиосигнал детектируется для получения заключенной в нём полезной информации. Полученный в результате детектирования сигнал сообщения преобразуется в вид, пригодный для использования оконечным устройством. Это может быть либо звук, либо изображение на экране телевизора, либо поток цифровых данных, либо непрерывный или дискретный сигнал для управления исполнительным устройством и т.д.
      Радиосигнал в тракте приёмника может проходить многоэтапную обработку: фильтрацию по частоте, преобразование частоты, оцифровку с последующей программной обработкой и преобразованием в аналоговый вид.
      Современные устройства приема и обработки сигналов состоят из собственно радиоприемных устройств и устройств обработки сигналов. Под радиоприемным устройством понимают часть приемного комплекса, содержащую тракты радиочастоты, промежуточной частоты и демодулятор. Остальную часть, в том числе декодеры, усилители низкой частоты и т.д., относят к устройствам обработки. Радиоприемным называется устройство, предназначенное для приема, преобразования и усиления сообщений, передаваемых с помощью электромагнитных волн.
      Схема супергетеродинного приёмника приведена на рис. 1.1, где А -антенна; Ф - фидер; ВЦ - входная цепь; УРЧ - усилитель радиочастоты; СМ - смеситель; Г - гетеродин; ПЧ - преобразователь частоты; УПЧ -усилитель промежуточной частоты; Д - детектор; УНЧ - усилитель низкой частоты.

6

1. Классификация радиоприемников

А

Рис. 1.1. Супергетеродинная схема приемника

      Супергетеродинная схема приемника характеризуются высокими показателями качества, однако имеет сложную схему.
      Входная цепь и УРЧ осуществляют предварительную селекцию и усиление сигналов. В смесителе происходит преобразование модулированного колебания с частотой принимаемого сигнала в модулированное колебание промежуточной частоты (постоянной для данного приёмника) без изменения формы огибающей. Частота гетеродина fᵣ определяется частотой принимаемого сигнала fc и промежуточной частотой fₙ (обычно fᵣ=fc+fₙ). УПЧ выполняет основную селекцию принимаемого сигнала и усиливает его до уровня, достаточного для нормальной работы детектора. Постоянство настройки фильтра промежуточной частоты позволяет наряду со сложными LC-фильтрами использовать пьезокерамические, электромеханические фильтры сосредоточенной селекции (ФСС), фильтры на ПАВ и др. Таким образом, достигается высокая селективность по соседнему каналу приёма.
      Чувствительность супергетеродинных приёмников почти не зависит от частоты настройки, поскольку усиление сигнала осуществляется, в основном, в усилителе промежуточной частоты.
      В приемной антенне возникает ЭДС Ед с частотой сигнала Гс. Входная цепь и УРЧ содержат резонансные цепи, настроенные на частоту fc. Усиленное напряжение сигнала ис с выхода УРЧ поступает на преобразователь частоты. С выхода ПЧ сигнал поступает на усилитель промежуточной частоты, содержащий избирательную систему и собственно усилитель. Часть приемника до ПЧ называют преселектором.
      Преобразователь частоты состоит из смесителя (СМ) и гетеродина (Г). Г - вспомогательный генератор, частота которого изменяется

7

Вещательные радиоприемные устройства

вместе с настройкой преселектора. СМ - нелинейный шестиполюсник, который осуществляет перенос спектра частот из одной области в другую. ПЧ, изменяя частоту сигнала, не влияет на форму модулирующей функции, т.е. действует по отношению к принимаемому сигналу как линейная параметрическая цепь. Поэтому часть РПрУ до детектора называют линейной по отношению к принимаемому сообщению.
      Супергетеродинный приемник имеет и недостаток - наличие побочных каналов приема, основные из которых - зеркальный и прямой.
      Если на вход приемника поступит сигнал с частотой побочного канала, равной Гзк= Гс+2Гп, то после преобразования получим

fsK - fr= V 2fii-fr= fr + V fr = fii,
т.е. частота зеркального канала преобразуется в частоту Гп и в УПЧ усиливается так же, как и частота сигнала.
      На рис. 1.2 приведена спектральная диаграмма АЧХ и частот супергетеродинного приемника. Из диаграммы видно, что зеркальный канал может быть подавлен только в преселекторе.


      Если частота соседнего канала равна 1’ск = 1с - Af, то после преобразования получим £г - £ск = f. - (f₀ - Af) = £п + Af.
      Соседний канал не попадает в полосу УПЧ (рис. 1.2), т.е. избирательность по соседнему каналу обеспечивается в УПЧ.
      Прямой канал - это частота сигнала, совпадающая с частотой настройки УПЧ 

8

1. Классификация радиоприемников

      Структура преселектора современного приемника определяется его назначением и в класическом супергетеродинном приемнике состоит из ВЦ и УРЧ резонансного или апериодического типа. В инфрадинном приемнике преселектор содержит фильтр нижних частот и усилителя преселектора (УП). Фильтр нижних частот (ФНЧ) не перестраивается и пропускает все частоты диапазонов АМ, вплоть до коротковолнового, но подавляет более высокие частоты, на которых работают телевидение, УКВ-радиовещание и служебные радиостанции.
      Преселектор реализует реальную чувствительность приемника и избирательности по комбинационным каналам. К преселектору предъявляется также требование обеспечения необходимого динамического диапазона сигнала, подаваемого на вход преобразователя частоты, т.е. преселектор совместно с другими цепями и устройствами приемника должен реализовывать автоматическую регулировку усиления и в схеме классического супергетеродинного приемника не допускать прегрузки смесителя.
      Необходимая чувствительность определяется внутренними шумами приемника. Избирательность по зеркальному и прямому каналам обеспечивается селективными элементами преселектора, включая фильтры-пробки. Важное значение имеет выбор промежуточной частоты супергетеродинного приемника. Так, в настоящее время даже в вещательных приемниках применяется преобразование вверх, когда величина промежуточной частоты выше значения частоты сигнала, т.е. реализуется принцип инфрадина.
      Основной проблемой при приеме АМ-сигналов является получение высокой избирательности и помехоустойчивости при значительной загрузке эфира. При этом преселектор (ВЦ и УРЧ) обеспечивает ослабление посторонних сигналов, достаточное для того, чтобы они не нарушали нормальной работы смесителя, т. е. не создавали побочных каналов приема и перекрестной модуляции. Высокие требования предъявляются к автоматической регулировке усиления (АРУ). Система АРУ должна предотвратить возможность перегрузки смесителя и совместно с другими каскадами приемника (усилителем промежуточной частоты) поддерживать неизменным уровень сигнала на выходе при изменяющихся условиях приема, включая замирания.
      Дальнейшее совершенствование тракта приема АМ-сигналов связано с увеличением количества моточных изделий - катушек индуктивности, необходимых для улучшения избирательности и помехоустойчивости

9

Вещательные радиоприемные устройства

приема. Существенной является проблема переключения большого количества катушек индуктивности в ВЦ и УРЧ. Перспективным направлением является переход к так называемой "широкополосной преселекции" (ШП).
      Если установить ряд переключающихся полосовых фильтров, рассчитанных на пропускание полосы частот, соответствующей принимаемому диапазону, то схема будет более помехоустойчивая, но и более сложная. Усилитель преселектора в такой схеме обычно широкополосный и не содержит селективных элементов.
      Для защиты от зеркального канала в приемниках с ШП выбирается высокая промежуточная частота (например, 24,975 КГц) с дальнейшим переходом на более низкую промежуточную частоту, т. е. используются схемы с двойным преобразованием частоты.
      При ШП реальная чувствительность приемника, при прочих равных условиях, остается такой же, как при узкополосной селекции. При этом динамический диапазон приемника с ШП должен быть шире на величину подавления преселектора на частоте мешающего сигнала. Это означает, что для обеспечения равного качества динамический диапазон тракта высокой частоты приемника с ШП должен быть значительно шире тракта приемника с узкополосным преселектором.
      Приемник с ШП не защищен от прохождения помехи по зеркальному каналу, если частота этой помехи находится в пределах полосы принимаемых частот, т.е. в полосе прозрачности преселектора. Поэтому обязательным условием для приемника с ШП следует считать использование инфрадинного приема, т.е. метода приема, при котором промежуточная частота располагается выше диапазона принимаемых частот. Использование инфрадинного приема позволяет вывести большое количество паразитных каналов за область прозрачности входного ФНЧ и таким образом обеспечить по ним высокую избирательность, даже превышающую избирательность обычного приемника с узкополосным преселектором.
      Однако приемник с ШП остается незащищенным от комбинационных паразитных каналов приема, образующихся без участия гетеродина, за счет взаимодействия сильных приходящих сигналов. Для обеспечения защиты от этих паразитных каналов, кроме повышения линейности УРЧ и смесителя, может быть использовано автоматическое регулирование усиления по помехе (АРУП). В отличие от обычной системы АРУ, когда усиление тракта изменяется в соответствии с изменением полезного сигнала, 10