Структурные схемы радиоприемников

    По принципам обработки принимаемого сигнала радиоприемники принято делить на следующие типы: прямого усиления; прямого преобразования; супергетеродинные с одинарным и двойным преобразованиями частоты

Структурная схема приемника прямого усиления изображена на рис. 15.5. Усиление сигнала производится непосредственно на частоте принимаемого сигнала вплоть до детектора, т.е. на частоте, которая воспринимается антенной.

В данной структурной схеме можно выделить основные тракты радиоприемника: высокой частоты( до детектора) и низкой частоты.

Рисунок 15.5. Структурная схема приемника прямого усиления

Входная цепь (ВЦ) выделяет полезный сигнал из колебаний, наводимых в антенне от различных радиопередатчиков и других источников электромагнитных колебаний, и ослабляет мешающие сигналы.

Усилитель радиочастоты (УРЧ) усиливает поступающие из входной цепи полезные сигналы и обеспечивает дальнейшее ослабление сигналов мешающих станций.

    Детектор (Д) преобразует модулированные колебания радиочастоты в колебания, соответствующие передаваемому сообщению: звуковому, телеграфному и др.

Усилитель низкой частоты (УНЧ) усиливает продетектированный сигнал по напряжению и мощности до величины, достаточной для приведения в действие оконечного устройства (громкоговорителя, реле, приемной телевизионной трубки и др.).

Оконечное устройство (ОУ) преобразует электрические сигналы в исходную информацию (звуковую, световую, буквенную и др.).

Приемник прямого усиления обладает плохой избирательностью, и невысокой чувствительностью, особенно в диапазонах коротких и ультракоротких волн, т.к. по мере повышения частоты возрастает полоса пропускания резонансной цепи. и кроме полезного сигнала контур будет пропускать помеху.

Сделать селективную цепь приемника прямого усиления с прямоугольной или даже близкой к ней характеристикой практически невозможно, так как этот контур должен быть перестраиваемым.

Полоса пропускания одиночного контура 2 f и его добротность Q связаны соотношением , где f _с – частота принимаемого сигнала.

Фильтры, обеспечивающие прямоугольные характеристики. - это многоконтурные системы, перестраивать которые одной ручкой настройки невозможно.

Усилитель радиочастоты, на высокой частоте ( при наличии неизбежной паразитной обратной связи , например, через источники питания или паразитные емкости) может самовозбудиться и превратиться в автогенератор. Вероятность самовозбуждения растет с ростом частоты и коэффициента усиления. Для повышения устойчивости работы УРЧ его коэффициент усиления приходится ограничивать.

Плохая избирательность и низкая чувствительность, изменяющиеся в рабочем диапазоне частот, являются существенными недостатками приемника прямого усиления, ограничивающими его использование.

Супергетеродинный приемник использует преобразователь частоты, состоящего из смесителя (С) и гетеродина (Г). На выходе преобразователя мы получаем промежуточную частоту, усиливаемую в дальнейшем усилителем промежуточной частоты (УПЧ). Преобразователь частоты  -- устройство, предназначенное для переноса спектра сигнала из одной области частот в другую без изменения амплитудных и фазовых соотношений между компонентами спектра

Рис. 15.6. – Структурная схема супергетеродинного приемника.

. 

Форма спектра сигнала и закон модуляции сигнала не меняется. Изменяется только значение несущей частоты сигнала f _с, которая становится равной некоторой преобразованной частоте f_пр.

К преобразователю частоты кроме напряжения сигнала с частотой f_с, подводится напряжение гетеродина (маломощного автогенератора) с частотой f_г. При взаимодействии этих напряжений в преобразователе частоты возникаю составляющие различных комбинационных частот, из которых используется только одна. Обычно используется составляющая f_пр = f_г – f_с.

Рис.15.7.

Преобразование несущей частоты радиосигнала в промежуточную приводит к улучшению фильтрации соседних каналов радиосвязи.

Как и в преобразователе, закон изменения модулирующего параметра сигнала в УПЧ не меняется. Поэтому часть супергетеродинного радиоприемника от входа до детектора называют линейной относительно модулирующего напряжения высокочастотного сигнала.

 Например, пусть в антенне действует ЭДС сигналов с несущими частотами f₁ = 20 МГц (полезный сигнал) и f₂ = 20,2 МГц. Относительная разность частот между станциями .

Контур в радиочастотном диапазоне имеет добротность 20-50, т.е. относительную полосу пропускания 5-2 %.

В рассматриваемом примере станция f₂ отличается от избранной всего на 1 % и поэтому будет создавать заметную помеху.

Если произвести преобразование несущей частоты f₁ , то при частоте сигнала гетеродина f_г = 20,5 МГц получаются две промежуточные частоты f_пр1 = 20,5 - 20 = 0,5 МГц и f_пр2 = 20,5 – 20,2 = 0,3 МГц, относительная разность между которыми .

Как видно, относительная разность(при использовании переноса частоты) увеличилась от 1 до 40 %. В этих условиях станция, работающая на частоте f₂, не будет помехой для фильтров преобразователя частоты, настроенных на частоту f_пр =0,5 МГц, даже если их добротность соизмерима с добротностью контуров УРЧ.

В супергетеродинных приемниках основное усиление и избирательность осуществляются после преобразования частоты в усилителе промежуточной частоты (УПЧ).

Преобразователь частоты состоит из нелинейного элемента (смесителя) и местного генератора частоты fгет (гетеродина).

На вход смесителя преобразователя частоты поступает напряжение с частотой сигнала fc и гармоническое напряжение от гетеродина с частотой fгет. Ток нелинейного элемента преобразователя частоты содержит ряд гармоник с частотами:

где п, m = 0; ±1; ±2; ... − целые положительные и отрицательные числа. 

Избирательная система, включенная в нагрузке преобразователя выделяет одну полезную компоненту, называемую промежуточной частотой.

На выходе преобразователя частоты включен фильтр промежуточной частоты ПФ с постоянной полосой частот, который выделяет преобразованный сигнал.

Важным достоинством супергетеродинного приемника является также то, что в процессе его перестройки на другую станцию промежуточная частота f_пр не меняется. Достигается это за счет того, что при перестройке приемника на другую частоту сигнала f_с одновременно изменяется резонансная частота преселектора и частота гетеродина f_г таким образом, чтобы разность f_г – f_с = f_пр осталась неизменной. Обеспечение постоянной разности частоты настройки преселектора и частоты гетеродина в диапазоне рабочих частот называется сопряжением настройки.

Поскольку ПФ и УПЧ не перестраиваются, то их характеристики не меняются и частотная характеристика контуров УПЧ может быть получена достаточно близкой к прямоугольной, так как в нем могут быть использованы фильтры любой степени сложности. Именно по этой причине супергетеродинные приемники обеспечивают высокую избирательность.

Поскольку УПЧ работает на существенно более низкой частоте, чем УРЧ, он может обеспечить существенно большее усиление, так как усилительные свойства элементов улучшаются но мере понижения частоты. Кроме того, при снижении частоты уменьшится влияние паразитных обратных связей, что способствует повышению коэффициента устойчивого усиления УПЧ. Это позволит обеспечить высокую чувствительность супергетеродинного приемника (порядка 1 мкВ).

Недостатком супергетеродинных приемников является наличие в них побочных каналов приема, главным из которых является зеркальный.

Зеркальный канал имеет несущую частоту f_зерк , отличающуюся от частоты полезного сигнала f_с на удвоенную промежуточную частоту f_зерк = f_с + f_пр (рисунок 15.8).

Рис. 15.8 – возникновение зеркальной помехи

Разность между f_зерк и f_г равна промежуточной частоте, как и в случае полезного сигнала. Поэтому на преобразователь частоты поступают одновременно сигналы станций f_с и f_зерк , и на его выходе обе станции дадут напряжение промежуточной частоты.

Сигнал частоты помехи по зеркальному каналу f_зерк , попавший на преобразователь, является помехой и его ослабление должно происходить до преобразователя частоты.

 Для улучшения избирательности по зеркальному каналу:

 1) промежуточная частота должна быть высокой. Тогда несущие частоты f_с и f_зерк значительно различаются. При этом коэффициент передачи входной цепи (она тоже обладает резонансными свойствами) на частоте f_зерк существенно меньше, чем на частоте f_с , и сигнал зеркальной станции будет значительно подавлен входной цепью.

    2) При наличии в приемнике УРЧ зеркальная помеха дополнительно подавляется за счет избиpaтeльныx свойств УРЧ.

Другим побочным канатом является также канал прямого прохождения, частота которого равна промежуточной. Помеха на частоте, равной промежуточной, может проходить через смеситель как через обычный усилитель. УПЧ усиливает помеху канала прямого прохождения так же, как и сигнал. В супергетеродинном приемнике существуют также побочные каналы приема, связанные с преобразованием на гармониках гетеродина. Вокруг этих гармоник могут располагаться помехи с частотами, отличающимися от них на промежуточную частоту.

Мешающее действие помехи канала прямого прохождения, как и зеркального канала, может быть ослаблено только в преселекторе.

В приемниках, работающих на магистральных линиях радиосвязи, требуются более высокие чувствительность и избирательность как по соседнему, так и по зеркальному каналам. Это невозможно выполнить при выборе одной промежуточной частоты, поэтому в таких приемниках применяют двойное преобразование частоты.

При двойном преобразовании частоты первую промежуточную частоту выбирают достаточной высокой (порядка 1 МГц), за счет чего обеспечивается высокая избирательность по зеркальному каналу. Вторая промежуточная частота выбирается достаточно низкой (порядка 100 кГц), что позволяет получить высокий коэффициент устойчивого усиления в каскадах УПЧ и таким образом повысить чувствительность приемника при высокой избирательности по соседнему каналу.

Рис.15.9

Первую промежуточную частоту выбирают значительно выше второй.

При этом частота первого зеркального канала имеет высокое значение и эффективно подавляется в преселекторе. Напряжение с частотой второго зеркального канала опасно лишь в том случае, если оно попадает на вход второго преобразователя. Помехи этой частоты должны быть подавлены до второго смесителя.

Практически это происходит в первом УПЧ. В профессиональных приемниках коротковолнового диапазона первую промежуточную частоту иногда выбирают значительно выше частоты сигнала. Такие приемники называют инфрадинными. В инфрадинном приемнике эффективно разрешается противоречие между требованиями к высокой избирательности по зеркальному и соседнему каналам.

При высоких значениях частоты гетеродина на качество радиоприема может оказывать влияние его нестабильность. Здесь особенно важно значение стабильности частоты первого гетеродина. Уменьшить влияние нестабильности частоты первого гетеродина можно путем его выполнения в виде синтезатора частоты с заданным шагом перестройки, представляющего устройство для формирования гармонических колебаний с заданными частотами из колебаний одного или нескольких высокостабильных опорных генераторов.

Если частоту гетеродина в супергетеродинном приемнике выбрать равной частоте принимаемого сигнала, то промежуточная частота будет равна нулю. При этом в приемнике обеспечивается прямое преобразование частоты радиосигнала в низкую звуковую частоту без предварительного ее переноса на промежуточную. Подобные приемники получили название приемников прямого преобразования.