Устройства приема и обработки сигналов

Томский государственный университет систем управления и 

радиоэлектроники 

Кафедра радиоэлектроники и систем связи 

Семенов Э.В. 

УСТРОЙСТВА ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ 

СИГНАЛОВ 

Конспект лекций 

2019 

Содержание 

Введение ................................................................................................ 4 
1 Области применения, виды принимаемых сигналов и задачи 
устройств приема и обработки сигналов ........................................ 5 

1.1 Области применения радиоприемников ................................ 5 
1.2 Задачи устройств приема и обработки сигналов .................. 5 
1.3 Виды принимаемых сигналов ................................................. 7 

2 
Разновидности 
структурных 
схем 
приемников, 
их 

преимущества и недостатки ............................................................ 20 

2.1 Общая структурная схема радиоприемника ........................ 20 
2.2 Приемники прямого детектирования ................................... 20 
2.3 Приемники прямого усиления .............................................. 21 
2.4 Супергетеродинные приемники ............................................ 22 
2.5 Инфрадины .............................................................................. 25 
2.6 Супергетеродины с несколькими преобразованиями 
частоты ........................................................................................... 26 
2.7 Приемники прямого преобразования ................................... 26 
2.8 Приемники с цифровой обработкой сигналов .................... 28 

3 Элементы и узлы устройств приема и обработки сигналов .. 29 

3.1 Приемные антенны ................................................................. 29 
3.2 Входные цепи .......................................................................... 31 
3.3 
Входной 
малошумящий 
усилитель. 
Шумы 
в 

радиоприемниках .......................................................................... 40 
3.4. Усилители промежуточной частоты ................................... 44 
3.5 Преобразователи частоты. Нелинейные искажения в 
преобразователях частоты и других узлах приемников .......... 45 
3.6 Автогенераторы и синтезаторы частоты.............................. 53 
3.7 Фильтры основной селекции в радиоприемниках .............. 60 

4 Автоматические регулировки в устройствах приема и 
обработки сигналов ........................................................................... 70 

4.1 Автоматическая регулировка усиления ............................... 70 
4.2 Автоматическая подстройка частоты ................................... 75 

5 Особенности устройств приема и обработки цифровых 
сигналов .............................................................................................. 82 

5.1 Межсимвольная интерференция в приемниках цифровых 
сигналов и борьба с ней ................................................................ 82 
5.2 Джиттер в приемниках цифровых сигналов ....................... 96 
5.3 Типовые звенья цифровых радиоприемников .................. 104 

6 Особенности радиоприемников шумоподобных сигналов ... 110 

6.1 Общие особенности систем связи с шумоподобными 
сигналами ..................................................................................... 110 
6.2 Передатчик системы связи с шумоподобными сигналами
 ....................................................................................................... 110 
6.3 Системы связи с прыгающей частотой .............................. 111 
6.4 Разновидности используемых шумоподобных сигналов 112 
6.5 Демодуляторы шумоподобных сигналов .......................... 112 
6.6 
Обнаружение 
и 
отслеживание 
в 
системах 
с 

шумоподобными сигналами ...................................................... 114 

7 Разнесенный прием ...................................................................... 117 

7.1 Преимущества и варианты разнесенного приема ............. 117 
7.2 Методы комбинирования радиосигналов при разнесенном 
приеме ........................................................................................... 118 
7.3 Фазирование сигналов при разнесенном приеме.............. 121 

Заключение ....................................................................................... 123 
Список литературы ......................................................................... 124 

Введение 

Наше время характеризуется взрывным ростом объемов 

производимой и потребляемой информации. Значительная часть 
этой 
информации 
передается 
в 
виде 
радиосигналов 
– 

радиоприемники самого разного вида окружают нас повсюду. 

Структура радиосигналов, несущих информацию, непрерывно 

и весьма быстро усложняется. Расширяется полоса радиосигналов, 
происходит переход к системам с кодовым разделением каналов, в 
которых передача сигналов от нескольких информационных 
потоков происходит в общей частотной полосе. Исследуются 
возможности неортогональных способов формирования семейства 
радиосигналов (в строгом смысле эти сигналы неразделимы друг от 
друга), а также разделения радиосигналов в общей полосе по 
уровню 
мощности. 
Все 
это 
накладывает 
беспрецедентные 

требования к устройствам приема и обработки таких сигналов, 
поскольку при большом количестве радиосигналов, в том числе с 
совмещенными полосами, в радиоприемнике возникают взаимные 
помехи между ними. 

Таким 
образом, 
конструирование 
современных 

радиоприемных устройств представляет собой актуальную и 
весьма сложную радиотехническую задачу. 

Настоящий 
конспект 
лекций 
резюмирует 
более 
чем 

десятилетний опыт преподавания дисциплины «Устройства приема 
и обработки сигналов» студентам радиотехнического факультета 
ТУСУР. 

Основную часть курса предваряет обзор используемых видов 

модуляции 
радиосигналов, 
поскольку 
для 
разработки 

радиоприемных 
устройств 
нужно 
усвоить 
(или 
повторить) 

информацию о свойствах поступающих сигналов. В последующих 
разделах радиоприемные устройства рассматриваются вначале на 
уровне 
структурных 
схем. 
Затем 
изучаются 
особенности 

построения отдельных узлов радиоприемников. Внутри этого 
изложения в уместных местах излагаются также общие вопросы, 
касающиеся характеристик качества приемников в целом (влияние 
шумов 
и 
нелинейных 
искажений). 
Отдельным 
разделом 

рассматриваются 
системы 
автоматики, 
используемые 
в 

радиоприемниках. 
Завершают 
курс 
несколько 
разделов, 

посвященных приему цифровых, шумоподобных сигналов и 
разнесенному приему. 

1 Области применения, виды принимаемых сигналов и задачи 
устройств приема и обработки сигналов 

1.1 Области применения радиоприемников 

Радиоприемники применяются в следующих областях: 

- широковещательные системы (один передатчик – несколько 
приемников): 
радиовещание, 
телевидение 
(в 
том 
числе 

спутниковое вещание); 
- радиорелейные системы (один направленный передатчик – один 
приемник); 
- системы сотовой связи; 
- системы беспроводного доступа к компьютерной информации; 
- системы микросотовой связи (маломощные системы для 
локальной связи с отдельными устройствами); 
- системы навигации; 
- радиолокационные системы. 

Место 
радиоприемного 
устройства 
в 
системе 
связи 

изображено на рисунке 1.1. 

 

Рисунок 1.1 – Место радиоприемного устройства в системе связи 

1.2 Задачи устройств приема и обработки сигналов 

Радиоприем – выделение сигналов из радиоизлучения (ГОСТ 

24375-80 Радиосвязь. Термины и определения). 

Зачем что-то выделять? Эфир – среда общего пользования, в 

которую 
излучает 
множество 
передатчиков, 
и 
в 
которой 

существует 
множество 
помех 
различного 
происхождения. 

Следовательно, 
интересующий 
нас 
сигнал 
должен 
иметь 

информативные признаки, отличающие его от сигналов других 
передатчиков и помех. Существуют следующие варианты: 
- FDMA (frequency division multiple access) – частотная селекция. В 
подавляющем 
большинстве 
случаев 
для 
селекции 

принимаемого сигнала используются частотно-разделительные 
фильтры. Главный параметр приемников в таких системах 
избирательность (частотная). 
- TDMA (time division multiple access) – каждому передатчику 
выделяется свой интервал времени для работы. Селекция 
осуществляется при помощи стробирующих устройств. 
- CDMA (code division multiple access) – каждый передатчик 
использует 
уникальную 
форму 
(код) 
несущего 
сигнала, 

ортогональную несущим сигналам других передатчиков. Селекция 
осуществляется при помощи корреляторов или согласованных 
фильтров. 

Вторая задача УПОС – усиление сигнала. 1 канал телевидения 

с останкинской телебашни передается с мощностью 40 кВт. Радиус 
зоны покрытия составляет 130 км. На этом расстоянии в 
предположении 
изотропной 
передачи 
плотность 
мощности 

составляет около 0.2 мкВт/м2. 

Таким 
образом, 
второй 
главный 
параметр 
приемника: 

чувствительность 
– 
мера 
способности 
радиоприемника 

обеспечивать прием слабых сигналов (ГОСТ 24375-80). 

Сложности усиления радиосигналов: 

- несущие частоты могут достигать нескольких десятков ГГц. 
Непосредственно на этих частотах реализовать все необходимое 
усиление сложно. Чаще всего прибегают к переносу частоты. 
- сложно построить усилитель, шумы которого были бы в заданное 
число раз меньше слабого входного сигнала. 

Большинство современных систем связи цифровые, т.е. 

информация 
передается 
в 
виде 
дискретных 
во 
времени 

информационных символов. Недостаточно всего лишь осуществить 
селекцию такого сигнала, нужно еще правильно определить 
временное положение информационных символов. Специального 
канала для передачи сигнала синхронизации как правило не 
организуют. Поэтому третья задача приемного устройства состоит 
в том, чтобы правильно и точно восстановить синхросигнал 
непосредственно из информационного потока. 

Сложности восстановления синхросигнала: 

- не каждый переход от одного символа к другому хоть как-то 
маркируется. Например в последовательности 00000000 не будет 
никаких сигнальных признаков перехода от одного символа к 
другому; 
- в высокоскоростных системах связи время, отводимое на 
передачу 
одного 
информационного 
символа, 
измеряется 

наносекундами. 
Таким 
образом, 
допуск 
на 
временную 

нестабильность (джиттер) систем синхронизации оказывается в 
пикосекундном диапазоне. 

Четвертая задача УПОС: осуществлять прием сигналов с 

минимальными искажениями. Искажения бывают: 
- линейными (отклонения передаточной функции приемного 
устройства от равномерной или оптимальной). Требование малых 
линейных искажений, как правило, находится в определенном 
противоречии с требованием обеспечения избирательности; 
- нелинейными (эффекты насыщения и отсечки в усилительных и 
преобразовательных элементах). 
УПОС в этой части характеризуют, в частности, полосой 
пропускания, коэффициентом интермодуляционных искажений, 
динамическим диапазоном. 

Пятая задача УПОС: обеспечить возможность перестройки на 

сигналы различных передатчиков. Как правило, это означает 
возможность перестройки по диапазону частот с сохранением 
основных 
характеристик 
(прежде 
всего 
избирательности 
и 

чувствительности) неизменными. 

1.3 Виды принимаемых сигналов 

1.3.1 Амплитудная манипуляция (ASK) 

Форма сигнала при амплитудной манипуляции приведена на 

рисунке 1.2. 

 

Рисунок 1.2 – Форма сигнала при амплитудной манипуляции 

1.3.2 Бинарная фазовая манипуляция (PSK) 

Форма радиосигнала при фазовой манипуляции приведена на 

рисунке 1.3, а спектр и созвездие с экрана спектроанализатора – на 
рисунке 1.4. 

 

Рисунок 1.3 – Форма сигнала при бинарной фазовой манипуляции 

 

Рисунок 1.4 – Бинарная фазовая манипуляция на экране 

спектроанализатора 

Недостаток 
бинарной 
фазовой 
манипуляции: 
неполное 

использование пропускной способности канала связи за счет 
наличия двух боковых полос, несущих идентичную информацию. 

Область использования: системы, не требующие большой 

пропускной способности канала данных, либо не налагающие 
ограничений на ширину спектра, занимаемого в эфире. Например: 
телеметрия дальнего космоса, кабельные модемы. 

1.3.3 Квадратурные виды модуляции 

Квадратурная модуляция (рисунок 1.5) – основа семейства 

эффективных цифровых видов модуляции. 

 

Рисунок 1.5 – Квадратурный модулятор 

I/Q диаграмма («созвездие») – наглядное представление 

особенностей 
конкретных 
видов 
модуляции 
(рисунок 
1.6). 

Дискретная точка на I/Q диаграмме представляет цифровое 
состояние или расположение символа. 

 

Рисунок 1.6 – I-Q диаграмма (созвездие) 

1.3.4 Квадратурная фазовая манипуляция (QPSK) 

При квадратурной фазовой манипуляции (рисунки 1.7–1.8) к 

каждом из квадратурных каналов разрешено два состояния. 
Область использования: спутниковые системы, сотовые системы 
CDMA, DVB-S (спутниковое цифровое телевизионное вещание), 
кабельные системы (обратное направление), кабельные модемы. 

 

Рисунок 1.7 – Созвездие и соответствие символов при 

квадратурной фазовой манипуляции 

 

Рисунок 1.8 – Спектр и I-Q диаграмма квадратурной фазовой 

манипуляции на экране спектроанализатора