Коэффициент усиления и чувствительность. Повышение чувствительности радиоприемника Радиоприемник с чувствительностью ниже порога шумов

Чувствительность приемника характеризует его способность принимать слабые сигналы. Количественно чувствительность оце­нивают минимальной ЭДС модулированного сигнала в экви­валенте приемной антенны или минимальной напряженностью по­ля; минимальной мощностью сигнала на входе приемни­ка. Первый случай характерен для приемников НЧ-ОВЧ, работа­ющих с открытой антенной: минимальная напряженность поля используется для оценки чувстви­тельности при применении магнитных и штыревых антенн; второй случай характерен преимущественно для приемников УВЧ и СВЧ.

Различают:

1) Чувствительность, ограниченное усилением.

Характерна для приемников, принимающих достаточно сильные сигналы, когда помехи слабо влияют на прием. Она определяется при заданной выходной мощности. Для приемников аналоговых сигналов различают номинальную и нормальную выходные мощности.

Номинальная мощность - максимальная выходная мощность, соответствующая 100 процентной глубине модуляции входного сигнала при коэффициенте нелинейных искажений меньше заданной нормы.

Нормальная мощность соответствует 30 процентной глубине модуляции и составляет 10 процентов от номинальной. В этом заключается проблема АМ видов модуляции.

2) Реальная чувствительность.

Учитывает влияние собственных его шумов и определяется минимальным уровнем сигнала на входе приемника при заданном превышении его над шумами на выходе приемника.

h-отношение сигнал/шум в выходном сигнале.

Чувствительность приемника зависит от его коэффициента усиления К, уровня собственных шумов , приведенных ко входу антенны, и требуемого превышения h 2 B ых­. Рассмотрим влияние этих факторов на чувствительность прием­ника AM сигналов, подключенного к эквиваленту открытой ан­тенны. Коэффициент усиления приемника:

K=U с вых /mU А C ,

где m - коэффициент модуляции сигнала; U А C - эффективное напряжение несущей частоты сигнала в эквиваленте антенны. Чувствительность, ограниченная усилением, с ростом К повышается.

Для определения реальной чувствительности необхо­димо определить, как влияет К на уровень шумов на выходе. Реальный шумящий приемник заменим нешумящим прием­ником с генератором собственных шумов U ш.пр, приведенных к его входу, который вместе с генератором шумов эквивалента антен­ны U ш э.А образует генератор суммарного шумового напряжения U ш.А.∑ ,приведенного к эквиваленту антенны с эффективным напряжением в полосе пропускания приемника.

U ш.э.А =

Если U ш.вых =К U ш.А.∑ , то U А0/ U ш.А.∑ = U С вых/ m U ш.вых. При заданном h вых =(U с /U ш) вых в эквиваленте антенны необходимо обеспечить превышение сигнала h A =U A 0 / U ш.А.∑ . Отсюда реальная чувствительность U A 0 P ≥h A U ш.А.∑ .

Реальная чувствительность не зависит от K и определяется собственными шумами приёмника.

3) Пороговая чувствительность . Определяется уровнем входного сигнала при n 2 =1

Факторы, влияющие на чувствительность:

1) Коэффициент усиления аналоговой части К ус

2) Суммарное напряжение шума антенны U m A ∑

3) h 2 вых допустимое соотношение сигнал/шум.

Рассмотрим их влияние на чувствительность АМ приемника:

U вых = К ус *m*U ∆ c

Рассмотрим модель приемника с шумами:

U ш. пр.

Нешумящий приёмник

Z A

U МА

U СА

U вых

U

U ША∑ =

U Швых = К ус* U ША∑ следовательно:

U реальной чувствительности =h A * U ША∑

Лекция 6.

Тепловые шумы

Любая цепь, имеющая омическое сопротивление является источником теплового шума. Это обусловлено увеличением количества носителей зарядов (электронов).

– шумовой поток

Сопротивление,

B-постоянная Больцмана,

T-температура в Кельвинах,

П-полоса в Гц

Шумы связаны только с активным сопротивлением, так как связаны с тепловыми флуктуациями электронов.

Единица измерения мощности в радиотехнических системах:

dBm-1 дб/1 мВт на нагрузке R=50 Ом

абсолютный уровень шума в 50 Омных системах равен -174 dBm/Гц.

Рассмотрим резонансный контур:

При комнатной температуре напряжение можно посчитать с помощью эмпирической формулы:

в этой формуле:

Шумовая температура.

Роль тепловых шумов в антенне не значительна. В основном источником шума в ней являются внешние источники ЭМ излучений. Вклад внешних источников шума в антенну оценивается как:

A -шумовая температура антенны - это температура, до которой нужно нагреть эквивалент антенны с сопротивлением R A чтобы его уровень тепловых шумов равнялся уровню шумов, измеренных со входа антенны. Т А позволяет сравнивать антенны. Источником шума в приемнике помимо активных сопротивлений являются транзисторы. Они характеризуются шумовым сопротивлением:

Для полевых транзисторов составляет десятки Ом.

Т ш =(Ш-1)Т,

Шумовая температура характеризует собственные шумы четырехполюсника, пересчитанные ко входу. Эта величина является тепловым эквивалентом собственных шумов четырехполюсника и показывает, на сколько градусов должен быть нагрет эквивалент антенны, чтобы вызванные им шумы на выходе равнялись собственным шумам. Понятие шумовой температуры удобно применять к малошумящим усилителям, коэффициент шума которых близок к 1. Например, при Ш=1.1 имеем Т э 30К. Шумовая температура многокаскадного устройства:

Коэффициент шума и шумовая температура устройства определяются свойствами главным образом первых четырехполюсников. Влияние последующих каскадов тем меньше, чем больше усиление по мощности предшествующих. Чтобы коэффициент шума был мал, необходимо первые каскады выполнять малошумящими и с большими коэффициентами передачи по мощности.

Полевой транзистор.

=(0.6…0.75)/s

S - крутизна управляемой характеристики.

Любой источник сигнала является источником шума. Мощность сигнала, который отдает источник в согласованную нагрузку называют номинальной(макс) .

Номинальная мощность шумов источника не зависит от сопротивления источника. Для оценки шумовых свойств источника используют отношение средней мощности сигнала к средней мощности шумов. При прохождении сигнала через четырехполюсник отношение сигнал/шум изменяется (уменьшается) в следствие добавления к шумам источника сигнала собственных шумов четырехполюсника.

Шумовые свойства в четырехполюснике описывает коэффициент шума , который показывает во сколько раз уменьшается отношение сигнал/шум на выходе по сравнению с отношением сигнал/шум на входе.

Ш-коэффициент шума. Является отношением

К р -коэффициент передачи

1) для идеального нешумящего четырехполюсника Ш=1.Для шумящего Ш>1.

2) Характеристику коэффициента шума можно использовать только для нелинейных устройств.

3) Для пассивных четырехполюсников, при согласовании их с источником сигнала коэффициент шума Ш=1/К р.

Пример:

K p

50 Ом

Найти спектральную плотность мощности на выходе четырехполюсника.

Для удобства оценки вклада шума каждого каскада приёмника в уровень шума на входе, все шумы относят ко входу приёмника, считая, что сам приёмник не шумит, а лишь усиливает шумы.

Лекция 7.

Шумовая чувствительность радиоприемного устройства (чувствительность, ограниченная внутренними шумами) – величина, характеризующаяся минимальной необходимой мощностью сигнала в антенне, при которой на выходе линейного тракта обеспечивается заданное отношение сигнал/шум. Линейный тракт ПРМ заканчивается перед демодулятором.

Понятием коэффициент шума можно пользоваться лишь для линейного устройства; в приемнике- это тракт до детектора. Коэффициент шума пассивного четырехполюсника (например антенного фидера) при согласовании его с источником сигнала и нагрузкой определяется коэффициентом передачи по мощности

Ш=1/К р - коэффициент шума

При потерях в пассивной цепи К р <1, Ш>1

Для сравнения шумов с сигналом на выходе удобно относить все шумы ко входу, полагая, что сам приемник не шумит, а лишь усиливает входные шумы.

Найдем коэффициент шума линейного тракта из последовательно соединенных четырехполюсников, каждый из которых характеризуется коэффициентом передачи по мощности К р i и коэффициентом шума Ш i . Предположим, что коэффициент рассогласования η 1 , η 2, … η n на стыках четырехполюсников известны

Мощность шумов первого четырехполюсника на выходе:

Шумы каждого последовательного четырехполюсника усиливаются всеми каскадами, кроме предыдущих. В конечном итоге получим:

K p прм.

Z A

Е A

Z н

t А - относительная шумовая температура




.

- выражение для расчета чувствительности приемника по известному коэффициенту шума ПРМ, полосе приема, П, волновому сопротивлению антенного входа r a , относительной шумовой температура антенны t A .

Задача: найти чувствительность 50 Омного приемника с полосой пропускания 20 кГц, отношение сигнал/шум на выходе - 4 раза(по напряжению), коэффициент шума равен 4, T=300K, 4kT=1.6*10 20.

Ответ: e=0.5 мкВ

113 dBm-0.5 мкВ àх=20lg =-113 dBm

Одним из важнейших показателей качества тракта приема является чувствительность приемника. Она характеризует способность приемника принимать слабые сигналы. Чувствительность приемника определяется как минимальный уровень входного сигнала устройства, необходимый для обеспечения требуемого качества полученной информации. Качество может быть оценено заданной битовой вероятностью ошибки (BER), вероятностью приема ошибочного сообщения (MER) или отношением сигнал-шум SNR (Signal-to-Noise Ratio) на входе демодулятора приемника. Если чувствительность приемника ограничивается , 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 чувствительность приемника 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.

При задании чувствительности приемника в виде э.д.с., она измеряется в микровольтах. Современные приемники мобильной связи обладают чувствительностью на уровне десятых долей микровольта. Способ задания чувствительности приемника в виде э.д.с. приводит к тому, что при различном входном сопротивлении приемника мы будем получать различное значение э.д.с. Поэтому, несмотря на то, что все современные приемники систем мобильной связи имеют входное сопротивление 50 Ом, чувствительность приемников задается в терминах мощности сигнала на входе приемника. Чувствительность определяется как отношение мощности на входе приемника к уровню мощности 1 мВт и выражается в логарифмическом масштабе в дБм.

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 = 290 К) и линейной частью, к мощности шумов, создаваемых только эквивалентом антенны. Очевидно,

, (1)

где k = 1,38 10 –23 Дж/град — постоянная Больцмана;
П ш — шумовая полоса линейной части приемника, Гц;
Р АП — мощность сигнала, Вт.

Из (1) видно, что мощность сигнала, соответствующую его предельной чувствительности и отнесенную к единице полосы частот, можно выразить в единицах kT 0:

, (2)

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)

На реальную антенну воздействуют внешние шумы, номинальная мощность которых ,
где Т A — шумовая температура антенны. Поэтому на выходе линейной части

Для получения равенства мощностей сигнала и шумов необходима мощность

Литература:

1. "Проектирование радиоприемных устройств" под ред. А.П. Сиверса - М.: "Высшая школа" 1976 стр. 7-8
2. "Радиоприемные устройства" под ред. Жуковского - М.: "Сов. радио" 1989 стр. 8 - 10
3. Палшков В.В. "Радиоприемные устройства" - М.: "Радио и связь" 1984 стр. 12 - 14

Вместе со статьей "Чувствительность приемника" читают:

В зависимости от значения принимаемой частоты схемные и конструктивные решения радиоприемников могут значительно различаться.
http://сайт/WLL/DiapPrmFr.php

Избирательность по соседнему каналу - это способность приемника принимать полезный сигнал на заданной частоте канала с заданной вероятностью ошибки
http://сайт/WLL/ChastotIzbirat.php

Интермодуляция, блокирование, однодецибельная точка компрессии, вот основные источники возникновения побочных каналов приема! Знать и уметь бороться с этими явлениями - задача любого технического специалиста.
http://сайт/WLL/NelinPrm.php

Динамический диапазон приемника с одной стороны определяет способность приемника обнаруживать слабый входной сигнал, с другой - обрабатывать сигналы большого уровня без искажения.
http://сайт/WLL/DinDiapPrm.php

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

Чувствительность является мерой способности радиоприемного устройства обеспечивать прием слабых радиосигналов. Количественно оценивается минимальным значением ЭДС сигнала на входе радиоприемного устройства, при котором имеет место требуемое отношение сигнал-шум на выходе при отсутствии внешних помех.

Чувствительность радиоприёмника, способность радиоприёмника 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 ( считается при этом более высокой). Однако в сложных радиоприёмных устройствах (например, связных) такой путь повышения Чувствительность радиоприёмника теряет смысл, поскольку в них интенсивность полезных радиосигналов может оказаться сравнимой с интенсивностью действующих на антенну одновременно с этими сигналами внешних помех радиоприёму , искажающих принимаемую информацию. Предельная Чувствительность радиоприёмника 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 Чувствительность радиоприёмника , становятся внутренние флуктуационные шумы радиоприёмника (см. Флуктуации электрические ). Последние в нормальных условиях работы радиоприёмника имеют постоянный уровень, поэтому Чувствительность радиоприёмника , ограниченная внутренними шумами, - вполне определённый параметр; за меру Чувствительность радиоприёмника в этом случае часто принимают непосредственно уровень внутренних шумов, характеризуемый коэффициентом шума или шумовой температурой (см. также Пороговый сигнал ).Чувствительность приемника - одна из главных его характеристик, которая определяет возможность дальнего приема передач. Чем меньше чувствительность, тем "дальнобойнее" приемник. Поэтому применительно к чувствительности обычно пользуются выражениями лучше-хуже вместо больше-меньше, понимая под лучшей чувствительностью такую, которая выражается ее меньшим значением. Существует несколько определений чувствительности, и во избежание путаницы всегда необходимо знать, о какой чувствительности идет речь. Приняты следующие определения: чувствительность, ограниченная усилением; чувствительность, ограниченная синхронизацией; чувствительность, ограниченная шумами.

Чувствительность радиоприемника является параметром, который позволяет оценить возможность приемника принимать слабые сигналы радиостанций. Различают максимальную и реальную чувствительность приемника.

Реальная чувствительность определяет минимальный уровень входного сигнала, при котором обеспечивается стандартная (испытательная) выходная мощность при заданном соотношении напряжения входного сигнала к напряжению шумов. Для отечественных приемников испытательная выходная мощность принята равной 50 или 5 мВт, в зависимости от класса приемника. Заданное соотношение сигнал-шум при измерении реальной чувствительности приемника в диапазонах ДВ, СВ, KB - не менее 20 дБ, на УКВ - не менее 26 дБ.

Чувствительность приемника по напряжению (для наружных антенн) измеряется в микровольтах. Чувствительность приемника тем выше, чем меньше это напряжение. При работе с внутренней (встроенной) антенной чувствительность выражается минимальной напряженностью электрического поля и измеряется в микровольтах или милливольтах на метр (мкВ/м или мВ/м).

Максимальная чувствительность - это чувствительность, ограниченная усилением. Она определяет такой минимальный уровень сигнала, при котором обеспечивается стандартная (испытательная) выходная мощность при установке всех органов управления приемника в положения, соответствующие максимальному усилению. Чувствительность радиоприемника зависит от многих факторов: усилительных свойств всех каскадов тракта приемника, уровня собственных шумов, ширины полосы пропускания и др.

Современные приемники обладают очень высокой чувствительностью. Например, приемники высшего класса в УКВ диапазоне имеют чувствительность 1... 2 мкВ, а в диапазоне KB - 5... 10 мкВ.

Чувствительность радиоприемника обычно выражается в мил­ливольтах на метр (мВ/м) или в микровольтах (мкВ). Наибольшей чувствительностью обла­дают супергетеродинные радиопри­ёмники (супергетеродины), в которых с помощью специальных устройств- гетеродина и смесителя-перед детек­тированием производится преобразование (понижение) частоты радиосигнала, не изме­няющее закона модуляции. Полученный в результате преобразования сигнал т. н. про­межуточной частоты дополнительно усилива­ется по ней, после чего детектируется и снова усиливается (по звуковой частоте).

Свойство радиоприемного устройства, позволяющее отличать полезный радиосигнал от радиопомехи по определенным признакам, свойственным радиосигналу, называется избирательностью . Иначе, это способность радиоприемного устройства выделять нужный радиосигнал из спектра электромагнитных колебаний в месте приема, снижая мешающие радиосигналы.

Различают пространственную и частотную избирательности. Пространственная избирательность достигается за счет использования антенны, обеспечивающей прием нужных радиосигналов с одного направления и ослабление радиосигналов с других направлений от посторонних источников. Частотная избирательность количественно характеризует способность радиоприемного устройства выделять из всех радиочастотных сигналов и радиопомех, действующих на его входе, сигнал, соответствующий частоте настройки радиоприемника.

Избирательность - параметр, характеризующий способность радиоприемника принимать и усиливать сигнал рабочей частоты на фоне "мешающих" сигналов других передатчиков, работающих на соседних каналах (частотах). Этот параметр часто путают или смешивают с понятием "помехозащищенность". Помехозащищенность - более широкое, нежели избирательность, понятие. Ведь помехой можно считать как сигнал другого передатчика, который излучает постоянно на соседней частоте, так и кратковременный разряд молнии, при котором излучается очень широкий спектр частот. Но если относительно узкополосный сигнал соседнего передатчика удается нейтрализовать схемотехническими решениями (частотной селекцией или фильтрацией), то широкополосный кратковременный сигнал помехи отфильтровать практически невозможно, и с помехой приходится бороться другими способами, в частности, применяя специальные способы кодирования и последующей обработки информационной составляющей сигнала. Именно на этом принципе построены РСМ-устройства.

Термин "избирательность" в характеристике радиоприемного устройства обычно дополняют словами "по соседнему каналу" и характеризуют его при помощи конкретных физических понятий и величин. Обычно это звучит примерно так: "избирательность приемника по соседнему каналу составляет - 20 dB при расстройке +/- 10 кГц". Физический смысл этой неуклюжей фразы таков: если частота "мешающего" сигнала отличается от "рабочей" частоты на 10 кГц (выше или ниже), то при равных уровнях "полезного" и "мешающего" сигналов на входе приемника, уровень "мешающего" сигнала на выходе приемника будет на 20 dB (в 10 раз) меньше уровня "полезного" сигнала. А если этот параметр будет равен -40 dB, то "мешающий" сигнал ослабнет в 100 раз и т.д. Иногда этот многоэтажный параметр заменяют одной из составляющих - шириной полосы пропускания. Ширина пропускания в выше приведенном примере равна 20 кГц, или +/- 10 кГц относительно центральной частоты (которая у нас определяется номером канала). Дальше мы поясним это при помощи спектральной диаграммы. А вот "помехозащищенность" РРМ приемника, к сожалению, однозначно охарактеризовать не удается.

В УКВ диапазоне избирательность по соседнему каналу измеряется при двух значениях расстройки мешающего сигнала - 120 и 180 кГц. Это объясняется тем, что для системы радиовещания в диапазоне УКВ, ближайший соседний канал (мешающий) отстоит от частоты полезного сигнала на 120 кГц, когда оба сигнала имеют одну и ту же синфазную модуляцию, а ближайший соседний канал, имеющий другую модуляцию, отстоит от частоты полезного сигнала на 180 кГц.

Избирательность по соседнему каналу определяется в основном трактом промежуточной частоты и в пределах диапазона изменяется незначительно.

Избирательность по зеркальному каналу определяет ослабление радиоприемником мешающего сигнала, отстоящего от принимаемого на удвоенное значение промежуточной частоты. Селективные (избирательные) свойства радиоприемника по зеркальному каналу определяются резонансными свойствами избирательных цепей до преобразователя частоты (входных цепей, УВЧ).

Избирательность по промежуточной частоте определяет ослабление приемником мешающего сигнала, частота которого равна промежуточной частоте приемника. Работа радиостанций на этих частотах запрещена. Однако в ряде случаев гармоники радиостанций могут совпадать с промежуточной частотой приемника. При этом они могут быть сильными помехами при приеме других радиостанций.

Ослабление помехи с частотой, равной промежуточной, осуществляется резонансными контурами входных цепей и усилителя высокой частоты. Для большего ослабления этой помехи на входе приемника включают специальный фильтр, который настраивают на промежуточную частоту и тем самым ослабляют проникновение помехи во входные контуры приемника.

Чувствительность радиоприемника характеризует его способность принимать слабые сигналы на фоне шумов. Количественно она определяется как минимальный уровень принимаемого сигнала U min , при котором обеспечивается удовлетворительное качество воспроизведения информации. В радиовещании критерием качества служит величина отношения сигнал/шум (по мощности или по напряжению) на выходе приемника. Оно должно быть не менее 20 дБ при приеме сигналов в диапазонах ДВ, СВ и KB и не менее 26 дБ при приеме сигналов УКВ диапазона в стереорежиме. Считается, что чувствительность тем выше, чем меньше величина U min .

Чувствительность приемника может ограничиваться не только малым отношением сигнал/шум на его выходе, но и недостаточным усилением всего приемного тракта. Поэтому различают реальную и максимальную чувствительность. Реальная чувствительность определяется как минимальный уровень входного сигнала, при котором обеспечивается стандартная (испытательная) выходная мощность Р ст при заданном отношении сигнал/шум на выходе. Максимальная чувствительность определяется без учета отношения сигнал/шум на выходе; она равна минимальному уровню входного сигнала при стандартной выходной мощности при установке всех органов регулировки усиления радиоприемника в максимальное положение. Для отечественных моделей величина Р ст принята равной 5 мВт (для приемников с номинальной выходной мощностью менее 150 мВт) или 50 мВт (для приемников с номинальной выходной мощностью более 150 мВт). В технической документации моделей зарубежного производства с выходной мощностью более 10 Вт часто рекомендуется использовать величину Р ст = 0,5 Вт.

Чувствительность приемника по напряжению при использовании наружных антенн выражается в микровольтах (мкВ) или милливольтах (мВ). При работе с внутренней (встроенной) антенной под чувствительностью понимают не напряжение на выходе приемной антенны, а напряженность электрического поля в точке приема, которая измеряется в микровольтах на метр (мкВ/м) или милливольтах на метр (мВ/м).

Иногда значение чувствительности указывается в относительных единицах дБ/мкВ (дБ/мВ). Для пересчета такой величины в микровольты можно использовать простую формулу:

Это означает, что величину 1 мкВ (1мВ) нужно увеличить в число раз, соответствующее значению, указанному в децибелах, например, чувствительность 6 дБ/мкВ эквивалентна 2 мкВ.

Современные бытовые радиоприемники обладают весьма высокой чувствительностью. Так, например, в УКВ и FM диапазонах ее величина может быть меньше 1 мкВ. В диапазонах ДВ, СВ и KB чувствительность обычно хуже. Это обусловлено тем, что здесь значительно более высокий уровень внешних помех, поэтому нет смысла развивать повышать усиление радиоприемного тракта.