Основной н побочные каналы

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра радиотехнических систем

Лабораторная работа

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕРОЯТНОСНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРОХОЖДЕНИЯ ПОМЕХ ЧЕРЕЗ РАДИОПРИЕМНИК

Минск 2015

Цель работы:

1. Изучение каналов и механизмов прохождения помех через радиоприемник

2. Ознакомление с моделями радиоприемника и электромагнитной обстановки для изучения закономерностей прохождения помех.

3. Исследование вероятностных закономерностей прохождения помех на выход радиоприемника.

Содержание отчета:

1. Цель работы

2. Модель радиоприемника.

3. Таблица результатов измерения.

4. Графики полученных зависимостей

5. Выводы.

Огравление

Введение
Основной и побочные каналы
Блокирование полезного сигнала
Перекёстные искажения полезного сигнала
Интермодуляция
Модель электромагнитной обстановки
Модель радиоприемника
Литература

Введение

Электромагнитные воспринимаются практически всеми объектами, однако интерес могут представлять только те воздействия, которые ведут к каким либо последствиям. Влияние помех на радиотехнические системы(РТС) происходит в основном через радиоприемное устройство (РПУ).От уровня такого влияния зависит качество работы РТС. Восприимчивость РПУ – это свойство устройства реагировать на радиопомехи, воздействующие через антенну и помимо нее, в том числе через экран, по цепям питания и коммутации. Однако наибольшую опасность представляют радиопомехи, воздействующие на вход РПУ в силу следующих причин: во-первых, вход РПУ принципиально не возможно закрыть для воздействия радиопомех, так как он должен пропускать полезный сигнал; во-вторых, по входу РПУ реализуется очень высокая чувствительность для обеспечения приема слабых сигналов. Поэтому в дальнейшем мы будем вести речь о восприимчивости РПУ только по его входу.

РПУ является неотъемлемой частью любой РТС. Все РПУ связывает общность построения структурной схемы. Это позволяет, во-первых, раздельно анализировать функциональные блоки, входящие в состав любого РПУ независимо от его назначения, и, во-вторых, ввести в рассмотрение обобщенную структурную схему РПУ, изображенную на рис.1.

Рис.1. Обобщенная структурная схема РПУ.

Она включает антенну (А), радиоприемник (РП) и оконечное устройство(ОУ). Как часть радиотехнической системы РПУ выполняет следующие основные функции: усиление, преобразование сигналов и их селекцию.

Современные РПУ усиливают сигналы примерно от до раз (по мощности), чем обеспечивается (совместно с усилением в радиопередающем устройстве) решение задачи преодоления расстояния в условиях рассеивания и потерь энергии в среде распространения радиоволн. Функцию усиления выполняют антенна и радиоприемник: последний включает в себя усилители высокой частоты (УВЧ), промежуточной частоты (УПЧ) и видеочастоты (ВУ).

Энергия электромагнитного поля преобразуется в энергию сигналов в антенне. Дальнейшее преобразование производиться с помощью смесителя и гетеродина; с целью обеспечения устойчивого неискаженного усиления и хорошей частотой избирательности энергия высокочастотных колебаний преобразуется на более низкую частоту – промежуточную. Ответственное преобразование происходит в детекторе, где имеет место демодуляцию радиосигнала, т.е. выделение сигнала, непосредственно несущего информацию. Еще одно преобразование – в оконечном устройстве: электрический сигнал преобразуется в оптический, акустический, механический и пр., т.е. в форму удобную для получателя информации.

Для специалистов, занимающихся обеспечением электромагнитной совместимости (ЭМС), важнейшей функцией РПУ является селекция радиосигнала. Базу для выполнения такой функции закладывают в радиопередатчике при формировании радиосигнала, придавая ему некоторую совокупность отличительных признаков. Реализация же этой функции возможна за счет того, что цепи РПУ обладают избирательными свойствами. Под избирательностью РПУ понимают его способность пропускать на выход беспрепятственно полезный сигнал и ослаблять всю совокупность излучений, образующих электромагнитную обстановку (ЭМО) в точке приема. В РПУ может быть реализована избирательность по таким параметрам сигналов, как направление прихода (азимут, угол места), поляризация, частота, фаза, амплитуда, форма, время прихода и т.д. Однако из всех видов избирательности наибольшую роль играет частотная, которая реализуется каскадами, образующими радиоприемник: преселектором (ПС), УВЧ, смесителем и УПЧ.

Итак, основной задачей настоящей работы является и (изучение радиоприемника как частотного селектора. Идеальный частотный селектор описывается П - образной характеристикой избирательности, т.е. он должен пропускать на выход только спектр полетного сигнала. Однако в силу не идеальности характеристик отдельных узлов радиоприемника его реальная характеристика частотной избирательности значительно отличается от идеальной. В реальном радиоприёмнике, помимо основного канала приема, появляется ряд побочных: зеркальны, прямой и др. Кроме этого, в активных каскадах РП под действием мощных мешающих сигналов могут происходить нежелательные нелинейные явления: блокирование, перекрёстные искажения и интермодуляция, которые могут уменьшить отношение сигнал/помеха на выходе РП ниже допустимого. Опасность нарушения нормальной работы PII вследствие прохождения на его выход помех определяется как параметрами самого PII, так и ЭМО, действующей на его входе. В принципе можно ослабить восприимчивость РП к помехам по перечисленным выше каналам насколько угодно. Однако это ведет к резкому необоснованному удорожанию конструкции PII. Поэтому важно уметь объективно оценивать необходимую степень подавления нежелательных каналов прохождения помех.

Основной н побочные каналы

На рис. 2 показана упрощенная структурная схема главного тракта супергетеродинного радиоприемника, отражающая основные операции н преобразования: выделение полезного сигнала из помех в заданной полосе частот, преобразование несущей частоты и усиление.

Рис. 2 Упрощенная структурная схема главного тракта супергетеродинного радиоприемника.

Селективные свойства такого тракта описываются характеристикой частотной избирательности, которая представляет собой зависимость уровня сигнала на входе радиоприемника от частоты при заданном отношении сигнал/шум или уровне сигнала на выходе. Измерение характеристики частотной избирательности производиться одно – или многосигнальными методами.

На рис. 3 представлена измеренная односигнальным методом типовая характеристика частотной избирательности приемника, которая описывает избирательные свойства приемника в линейном или близком к нему режимах работы. На ней можно выделить основной и неосновные каналы приёма, которые делятся на соседние и побочные. Основным каналом приема называют полосу частот, находящуюся в полосе пропускания приемника, предназначенную для приема сигнала. На рис. 3 полоса частот основного канала обозначена DF. Обычно ее определяют на уровне 3 дБ по отношению к значению частотной характеристики на частоте настройки приемника.

Рис. 3 Измеренная односигнальным методом типовая характеристика частотной избирательности приемника.

Другим параметром основного канала является коэффициент прямоугольности частотной характеристики. Коэффициент прямоугольности по уровню α, дБ. называют отношение полосы частот на уровне α, дБ. к полосе на уровне 3 дБ. т.е. . Обычно α=30 или 60 дБ. Приемник имеет хороший коэффициент прямоугольности, если и низкий, если

Побочные каналы приема составляют полосы частот, находящиеся за пределами основного, по ним сигналы могут проходить на выход радиоприемника. К побочным каналам относятся зеркальный, каналы комбинационных частот и субгармоник частоты настройки приемника: канал приема, средняя частота которого равна промежуточной частоте приемника, и т.п. Нормы ослабления по зеркальному каналу в современных приёмниках высокого класса 70.. .80 дБ, нормы ослабления на промежуточной частоте 80... 100 дБ.

Побочные каналы приёма образуются в смесителях. Они определяются недостаточной избирательностью предшествующих каскадов и характеристикой нелинейности смесителя. Предполагается, что при переносе спектра в смесителе искажения отсутствуют. В этом смысле операция преобразования частоты - линейная. Составной частью преобразователя частоты является перемножитель сигналов. Но даже в идеальном перемножителе обязательно есть побочный канал, называемый зеркальным, отличительная особенность которого состоит в том, что он имеет одинаковую чувствительность с основным каналом приёма, если измерить её со входа преобразователя.

В реальных преобразователях идеального перемножения частоты не происходит. Они, как правило, работают по принципу косвенного перемножения, осуществляемого с помощью нелинейного элемента, что приводит к появлению новых побочных каналов . Центральные частоты побочных каналов в общем случае удовлетворяют равенству

,

где m, n - целые числа, положительные и отрицательные, включая нуль; , - соответственно частота гетеродина и промежуточная.

Величина называется порядком комбинированного канала. Отсюда можно получить, что

. (2.1)

Соотношение (2.1) определяет частоты побочных каналов в самом общем виде.

Сведения о частотах побочных каналов прима РЭС играют существенную роль при назначении рабочих частот радиопередающим устройствам. В задачах оценки ЭМС не требуется определять все побочные каналы приема. Для каждого мешающего изучения обычно нужно знать конкретный канал, по которому помеха может проникнуть на выход приёмника. В общем случае для каждого преобразователя частоты со своим УПЧ и для помехи с частотой порядок комбинационного канала, по которому возможно прохождение помехи, определяют из соотношения

(2.2)

где m. n - целые неотрицательные числа; DF - полоса УПЧ, N=m+n.

Левая часть (2.2) определяет расстройку, с которой помеха попадает в побочный канал порядка N. Избирательность побочных каналов приема так же, как н основного, определяется полосой пропускании и прямоугольностью частотной характеристики канала. В задачах ЭМС характеристика избирательности по побочным каналам обычно принимается такой же, как и по основному. Однако от основного побочные каналы существенно отличаются чувствительностью. Чувствительность по основному каналу называют чувствительностью радиоприемника. Количественно она определяется напряжением или мощностью сигнала на входе, при котором на выходе приёмника обеспечивается заданное отношение сигнал/шум при номинальной мощности выходного сигнала.

Различают чувствительности: реальную, предельную и ограниченную внутренними шумами или помехами.

При оценке ЭМС обычно исходят реальной чувствительности, определяемой минимальным напряжением или мощностью сигнала в антенне приемника. При котором обеспечивается заданное отношение сигнал/шум при номинальных значения напряжения или мощности на выходе. Измеряют чувствительность обычно в микровольтах, ваттах или в децибелах относительно микровольта, ватта или милливатта. В технических условиях или стандартах оговаривается отношение сигнал/шум, при котором происходит измерение чувствительности. Так, для радиовещательных приемников, работающих в диапазонах НЧ, СЧ и ВЧ, это отношение установлено равным 20 дБ, а для приемников более высоких частот -26 дБ. В некоторых случаях чувствительность определяется при отношении сигнал/шум О дБ. Если данные о чувствительности отсутствуют, что возможно, например, на стадии разработки приемника, то чувствительность, соответствующую отношению сигнал/шум 0 дБ. Вычисляют по формуле

(2.3)

где - чувствительность приемника на рабочей частоте (в ваттах); F- коэффициент шума приёмника (в paзаx); k=1.38 10-23 Вт/K/Гц - постоянная Больцмана; Т - температура н градусах Кельвина: DF - полоса приемника. Гц. Пологая Т=290 К и выражая P(fo) в децибелах относительно милливатта, найдем

(2.4)

Коэффициент шума приемника определяется в основном коэффициентом шума УВЧ или при отсутствием последнего первым смесителем. Если известен тип электронного прибора (лампа, полупроводниковый триод, ЛБВ, параметрический усилитель, кристаллический смеситель и т.д). на котором построены УВЧ или смеситель, то значение коэффициента шума F можно получить из справочных данных о приборе. При отсутствии таковых ориентировочные значения можно получить на рис. 4.

Рис.4 Ориентировочные значения

Поскольку побочные каналы - это канаты, по которым на приемное устройство воздействуют внешние помехи, то для оценки воздействия последних по этим канатам используют термин восприимчивость вместо чувствительности, которая характеризует реакцию приемника на полезный сигнал в отсутствии помех.

Восприимчивость побочных каналов приема измеряется в децибелах относительно чувствительности основного канала. Этот параметр показывает, насколько чувствительность побочного канала хуже чувствительности основного. Восприимчивость по побочным каналам определяется двумя факторами: ослаблением мешающею сигнала на частоте побочного канала в пресселекторе приемника (во входной цепи и УВЧ) и видом характеристики нелинейности смесителя. Чем больше расстройка побочного канала относительно основного, тем больше (при прочих равных условиях) влияние пресселектора. С ростом порядка комбинационного канала его восприимчивость падает. Однако быстрое падение восприимчивости по побочным каналам с ростом N происходит только при сравнительно невысоких порядках канала. В области больших значений N ослабление восприимчивости по побочному каналу мало зависит от его порядка. Следует заметить, что при больших расстройках ослабление пресселектора так же меняется незначительно. Ослабление по побочным каналам для приемников нормируется. Некоторые нормы на радиовещательные приемники и приемники магистральной радиосвязи декаметрового диапазона представлены в табл. I. В тех случаях, когда дополнительные сведения о восприимчивости побочных каналов отсутствуют, в задачах исследования ЭМС используют нормы, оговоренные в стандартах и технических условиях на анализируемый тип приемника.

Табл. 1 нормы на радиовещательные приемники и приемники магистральной радиосвязи декаметрового диапазона

Кроме помех по основному н побочным каналам, и приемнике могут возникать, помехи по соседнему каналу (см. рис. 3), которые в литературе называют также внеполосными каналами приема. Последние примыкают непосредственно к основному, образуются в усилителях высокой и промежуточной частот и обусловлены недостаточной избирательностью трактов, предшествующих усилителям, а так же нелинейными процессами взаимодействия мешающих и полезного сигналов.

Рис.3 помехи по соседнему каналу

Поскольку в полосах частот, непосредственно примыкающих к основному каналу приема, располагаются рабочие частоты соседних по частоте средств, то отсюда их название помехи по соседнему каналу. Полосы и частоты соседних каналов соответствуют принятому для службы распределению частот. Так, в радиовещании первый соседний канал соответствует расстройке 9 кГц, в телевидении - 8 МГц, однако, учитывая значительную широкополосность, входных цепей и трактов УВЧ-приемииков (по сравнению с трактом УПЧ), влияние на качество приема могут оказывать помехи не только по первому, но и по другим соседним каналам. Если уровень помехи по соседнему каналу небольшой и в приемнике не возникает нелинейных явлений, то представление об избирательности по соседнему каналу дает односигнальная характеристика частотной избирательности