Расчет полосы пропускания. Определение требований к системе АПЧ

Характеристики радиоприемника должны быть в возможно большей степени согласованы с характеристиками спектра принимаемого сигнала. Полоса пропускания, форма АЧХ и ФЧХ в пределах полосы и прилегающих областях должны удовлетворять требованиям сохранения параметров сигнала в пределах допустимых искажений.

Для неискаженного приема полосу пропускания П высокочастотного тракта приемника обычно выбирают равной реальной ширине П_С спектра принимаемого сигнала с некоторым запасом Df_ЗАП, зависящим от частотной точности радиолинии

П = П_С+Df_ЗАП , (1.10)

где Df_ЗАП - запас полосы на возможные уходы частоты передатчика и частоты настройки приемника. Если приемник или передатчик системы связи установлен на подвижном объекте, перемещающемся с высокой скоростью, то необходимо учитывать доплеровское смещение Df_Д частоты сигнала f_С:

П = П_С+Df_ЗАП+2Df_Д, (1.11)

где Df_Д = f_Сu/C, u – радиальная скорость перемещения передатчика относительно приемника, км/с; C=300 000 км/с – скорость распространения радиоволн.

Для радиовещательных приемников обычно считается допустимой подстройка при приеме, при этом полоса пропускания высокочастотного тракта выбирается равной реальной ширине П_С спектра принимаемого сигнала.

В профессиональных системах связи запас по полосе необходим для установления связи без поиска и ведения связи без подстройки (если не используется АПЧ). При выборе запаса по полосе учитываются также требования к устойчивости и к степени автоматизации связи. При приеме с поиском и подстройкой расхождение частот передатчика и приемника устраняется оператором, при этом Df_ЗАП=0.

В то же время полосу пропускания ВЧ тракта обычно стремятся уменьшить до минимально возможной, поскольку с уменьшением полосы повышается чувствительность и избирательность приемника, но при этом соответственно повышаются требования к стабильности частоты гетеродинов. Для разрешения этого противоречия в относительно несложных приемниках используют систему АПЧ, а в профессиональных приемниках для повышения стабильности частоты гетеродинов используют цифровые синтезаторы частоты.

В общем случае отклонение промежуточной частоты приемника за счет нестабильности частот

Df_ПР = (1.12)

где d_С, d_Г - относительные нестабильности несущей частоты принимаемого сигнала и частоты гетеродина приемника; d_Н=3*10^–3...10^–2 - погрешность настройки приемника по его шкале; d_ПР=3*10^–4...3*10^–3 - относительная погрешность и нестабильность промежуточной частоты приемника.

Для приемников с двойным преобразованием

Df_ПР = (1.13)

Относительная нестабильность частоты гетеродинов с плавной перестройкой, выполненных на транзисторах, обычно лежит в пределах 10^-4... ...10^-3, с кварцевой стабилизацией - около 10^-5. если принять меры для повышения стабильности частоты (стабилизация напряжений питания, термокомпенсация, термостатирование), значение d_Г может быть уменьшено в 10...100 раз. Для радиовещания d_С=10^-7...10^-5; в современных системах радиосвязи с синтезаторами частоты d_С достигает значений 10^–7...10^–9; для систем радиосвязи обычно d_С=d_Г.

В некоторых случаях приходится дополнительно учитывать возможность ухода частоты из–за нестабильности источников питания, климатических и механических воздействий.

Для исключения ухудшения качества приема полосу пропускания приемников выбирают шире реальной ширины спектра сигналов на Df_ЗАП=2Df_ПР. Обычно считается допустимым расширение полосы за счет нестабильности частот радиолинии на (0.1...0.2)П_С. Если запас по полосе оказывается соизмерим или больше ширины спектра принимаемых сигналов, его можно существенно уменьшить, используя систему автоматической подстройки частоты гетеродина; требуемая полоса пропускания приемника при этом соответственно уменьшается

П = П_С+2Df_ПР / К_АПЧ , (1.14)

где К_АПЧ - коэффициент АПЧ. В системах с частотной АПЧ (ЧАПЧ) К_АПЧ=5...20, причем нижняя граница соответствует простейшим, а верхняя - довольно сложным системам ЧАПЧ. Если принять допустимым расширение полосы на (0.1...0.2)П_С, то коэффициент автоподстройки

К_АПЧ ³ 2Df_ПР / (0.1...0.2)П_С . (1.15)

В системах с фазовой АПЧ (ФАПЧ) остаточная расстройка равна нулю, при этом П=П_С.

При выборе полосы пропускания П_ПР преселектора диапазонного приемника без АПЧ дополнительно вводят запас на неточность сопряжения Df_НС настроек контуров преселектора и гетеродина:

П_ПР ³ П+Df_НС. (1.16)

При выборе полосы пропускания радиовещательных приемников необходимо также принимать во внимание требования ГОСТ, устанавливающего нормы на допустимые искажения спектра принимаемого сигнала, которые проявляются на верхних звуковых частотах из–за неравномерности АЧХ как ВЧ, так и НЧ трактов приемника. В техническом задании на проектирование задается допустимое ослабление на краях полосы пропускания

s_П = 20lgК(f₀) / К(f₀± F_max) [дБ], (1.17)

где F_max - максимальная частота в спектре модулирующего сигнала.

При проектировании заданная величина ослабления распределяется по отдельным трактам приемника: преселектор, УПЧ, детектор, УНЧ:

s_П = s_ПР+s_УПЧ+s_АД+s_УНЧ [дБ], (1.18)

причем частотные искажения в преселекторе необходимо учитывать только в диапазонах ДВ и СВ, в диапазоне КВ ими можно пренебречь. Поэтому на КВ для повышения избирательности полосу пропускания преселектора можно делать настолько узкой, насколько это возможно по конструктивным возможностям и соображениям получения достаточного усиления.

ГОСТом 5651-89 установлены следующие нормы допустимых частотных искажений:

при приеме АМС в диапазоне f_С < 250 кГц s_П=s_ДОП=18 дБ, в диапазоне f_С> 250 кГц s_ДОП = 14 дБ;

при приеме ЧМС в диапазоне f_С > 250 кГц s_ДОП=14 дБ.

При приеме АМ сигналов общая неравномерность кривой верности (частотные искажения) складывается из неравномерностей ВЧ тракта, детектора, УНЧ и громкоговорителя. При распределении неравномерности по каскадам приемника желательно иметь s_ВЧ = s_ПР + s_УПЧ = 9...13 дБ, s_УПЧ ³ 6 дБ - для получения большего ослабления сигналов соседних каналов и улучшения устойчивости кривой верности (s_ВЧ, s_ПР, s_УПЧ – неравномерности ВЧ тракта, преселектора и УПЧ соответственно). Чем больше допустимое значение s_УПЧ, тем легче (при меньшем числе контуров) обеспечить в УПЧ необходимую избирательность по соседнему каналу.

При приеме ЧМ сигналов минимальная полоса линейного тракта определяется не частотными, а нелинейными искажениями (из–за нелинейности ФЧХ). К неравномерности АЧХ линейного тракта приемника ЧМС предъявляются более жесткие требования: s_ПР + s_УПЧ £ (3...6) дБ, поскольку неравномерность АЧХ сопровождается нелинейностью фазовой характеристики, приводящей к нелинейным искажениям при приеме ЧМС. Для приемников УКВ ЧМ вещания согласно ГОСТ 5651–89 П=120...180кГц. Поэтому для приемников ЧМС заданные в ТЗ частотные искажения распределяются между детектором, УНЧ и громкоговорителем.

При распределении частотных искажений по трактам необходимо помнить, что чем меньше допустимые искажения в преселекторе или в УПЧ (при заданных значениях избирательности), тем более сложные фильтры нужно будет использовать для получения требуемой формы АЧХ. Ориентировочно s_ПР£1...3 дБ (до 4...8 дБ при f_С<250 кГц), s_УПЧ£4...8 дБ, s_АД£1...2 дБ, s_УНЧ£1...5 дБ. Возможна компенсация завала (подъема) верхних или нижних частот спектра принимаемого сигнала в одних каскадах приемника подъемом (завалом) этих же частот в других каскадах.

В некоторых приемниках нужна переменная полоса пропускания, причем требования по избирательности выполняют при узкой полосе, а требования по неравномерности – при широкой. Узкой полосой пропускания считают полосу, при которой качество воспроизведения не ниже допустимого.

В высококачественных радиовещательных приемниках АМС для уменьшения частотных искажений в преселекторе (при сохранении высокой избирательности по зеркальному каналу) применяют во входных цепях ДВ и СВ диапазонов двухконтурные полосовые фильтры.

Реальная ширина спектра сигнала зависит как от вида модуляции, так и от вида передаваемого сигнала и определяется следующим образом. Реальная ширина спектра амплитудно-модулированных сигналов

П_С = 2F_max, (1.19)

частотно-модулированных сигналов

П_С = 2(1+m_ЧМ+ _ЧМ) F_max , (1.20)

сигналов с однополосной модуляцией с ослабленной или полной несущей

П_С = F_max , (1.21)

сигналов с однополосной модуляцией с подавленной несущей

П_С = F_max - F_min , (1.22)

где F_max, F_min – максимальная и минимальная частоты в спектре модулирующего сигнала; m_ЧМ=Df_m/ F_max - максимальное значение индекса частотной модуляции, Df_m - девиация частоты. При узкополосной ЧМ (m_ЧМ<<1) П_С » 2 F_max, при широкополосной ЧМ (m_ЧМ>>1) П_С » 2Df_m+ 2 F_max.

Реальный спектр телеграфного сигнала, который необходимо передать по каналу связи, должен включать (в зависимости от метода регистрации) от одной до трех...пяти гармоник частоты манипуляции F_МАН. Поэтому максимальная частота, которую должен пропустить канал связи, определяется из условия

F_max = a/2t₀ = aB/2, (1.23)

где t₀ - длительность элементарного импульса; В=1/t₀ - скорость телеграфирования, Бод; а=2...3 при регистрации методом укороченного контакта, а=1 при регистрации интегральным способом.

Реальная ширина спектра телеграфных сигналов при амплитудной манипуляции (А1)

П_С = a/t₀ = 2aF_МАН , (1.24)

при амплитудной тональной манипуляции (А2)

П_С = 2(F₀+ F_max) = 2(F₀+aF_МАН) , (1.25)

при частотной манипуляции

П_С = 2F_МАН , (1.26)

где F_МАН=1/2t₀ - частота манипуляции; F₀ - частота тона; D=10...100 - задаваемое ослабление спектра на границах полосы; m_ЧМ=Df_m/F_МАН - коэффициент модуляции, Df_m - девиация частоты, равная половине разноса частот манипуляции.

Если приемник предназначается для приема сигналов с различной шириной спектра, то полосу пропускания определяют для каждого типа сигнала и выбирают большую из них, либо переключают полосу при изменении вида работы.