Основные определения и понятия

Основные определения  и понятия 

 

Устройства приема и  обработки сигналов  используются в технике радиоприема.  Теория и техника радиоприема  –  области  радиотехники, посвященные проблемам  получения информации, содержащейся в радиосигналах.  Радиосигналами называют сигналы, переносимые радиоволнами (электромагнитными волнами).  Качество сигналов характеризуется скоростью, дальностью, объемом, скрытностью и помехоустойчивостью.

Радиоприемное устройство  –  это устройство, предназначенное  для выделения информации из электромагнитных волн. Обычно радиоприемное устройство является частью  радиотехнической системы.  В современных радиотехнических системах в радиоприемном устройстве осуществляется не только прием (в узком смысле), но и обработка сигналов с целью наилучшего извлечения информации.

В системах связи под  информацией  понимается передаваемое сообщение.  Для передачи сообщения  производится  модуляция  несущего колебания  сигнала по одному из параметров. В радиолокации информацией  могут служить  параметры радиосигнала, отраженного от цели: запаздывание, изменение частоты и т.д. 

К основным задачам радиоприема  относятся:

1.  обнаружение   сигнала  –  принятие решения  о его наличии или отсутствии;

2.  различение  сигналов  –  принятие решения о том,  какой из возможных сигналов принят;

3.  измерение параметров  сигала;

4.  фильтрация  сигнала   –  принятие решения относительно  формы модулирующего колебания; 

5.  разрешение  сигналов  –  решение  одной из задач  радиоприема, сформулированных выше, при одновременном действии нескольких сигналов;

6.  распознавание образов   –  принятие решения относительно  источника сигнала по характеристикам  сигнала. 

 

В зависимости от решаемой задачи радиоприемное устройство характеризуется  определенными качественными и  количественными показателями. Например, при обнаружении сигнала на фоне помех определяют вероятность правильного обнаружения при заданной вероятности ложной тревоги. Вместе с тем, вводятся показатели, которые определяют качество радиоприема независимо от решаемой задачи:

чувствительность  –  способность принимать слабые сигналы,

избирательность – способность  выделять полезный сигнал из помех  и т.д.

Состав радиоприемного устройства

В состав радиоприемного устройства (рис. 1.1) входят:

1.  Антенна  –   устройство для улавливания электромагнитных волн из пространства и передачи их приемнику;

2.  Радиоприемник   –  устройство для выделения  сообщения из электрического  сигнала; 

3.  Оконечный аппарат  – устройство для преобразования  электрического сообщения в удобную для потребителя форму.

Рис. 1.1. Состав радиоприемного устройства

 

В дисциплине УПОС изучаются  устройство, характеристики и вопросы  проектирования радиоприемников. По основному  функциональному назначению радиоприемные  устройства делят на профессиональные и вещательные. К профессиональным приемникам относят связные, телеметрические, радиолокационные, телеуправления и многие другие. Они, как правило, отличаются большой сложностью и стоимостью. Вещательные приемники обеспечивают прием программ звукового и телевизионного вещания. Они имеют невысокую стоимость и, соответственно, при их производстве используются более простые технические решения.

По виду модуляции  принимаемого сигнала  классификация  производится на приемники: 

·  амплитудно-модулированных сигналов;

·  частотно-модулированных сигналов;

·  фазомодулированных сигналов;

·  однополосных сигналов; 

·  импульсно-модулированных сигналов.

 

Первый радиоприемник

 

Изобретателем первого  приемника был А.С.Попов. Схема  первого приемника показана на рис.  1.2.  Приемник А.С. Попова (названный им сначала «грозоотметчиком») содержал все основные части радиоприемника:

·  антенну, 

·  колебательную цепь, 

·  детектор, 

·  регистрирующее устройство. 

 

Рис.1.2. Радиоприемное устройство А.С. Попова:

К- порошковый когерер - детектор электромагнитных волн; М, М1 и М2 -электромагниты;Б - гальваническая батарея; Др - дроссели; 3 - звонок;А - антенна; П - пишущее устройство

 

Гениальной догадкой явилось использование обратной связи  – автоматического механического встряхивания когерера с целью восстановления его чувствительности к появлению поля. Когерер представлял собой стеклянную трубку с двумя торцевыми металлическими электродами. Трубка заполнялась металлическими опилками. В исходном состоянии электрическое сопротивление когерера постоянному току довольно велико, и электрическая цепь, включающая в себя гальваническую батарею, когерер и электромагниты, разомкнута.

При прохождении через  когерер тока высокой частоты, наводимого в антенне электромагнитной волной, опилки спекались между собой, образуя электропроводящий канал, и сопротивление когерера  резко падало. Цепь

питания электромагнита М замыкалась.. Якорь,  притягиваемый  электромагнитом М, замыкал цепь питания более мощного электромагнита М1, который притягивал молоточек, ударявший по чашке звонка и по когереру. При этом связи между частицами внутри когерера разрушались, и его сопротивление  возвращалось  в исходное состояние. После этого приемник был готов для регистрации нового сигнала. В качестве источника электромагнитного излучения использовались искровые разрядники.

Двадцать четвертого  марта 1896г. А.С.Попов впервые в  истории человечества  продемонстрировал  передачу  электрическими сигналами  без проводов осмысленного текста, состоящего из двух слов («Генрих Герц»).

 

Структура и принцип  действия радиоприемных устройств 

 

В соответствии с занимаемым в радиоканале местом РПрУ должны обеспечивать следующие основные функции:

·  выделение полезного сигнала из смеси с шумом или другими мешающими сигналами;

·  усиление полезного сигнала;

·  ослабление мешающего действия помех, присутствующих во входных колебаниях;

·  детектирование радиочастотных сигналов с целью формирования колебаний, соответствующих передаваемому сообщению.

Помимо указанных основных функций для многих современных РПрУ характерно выполнение и других сложных функций: 

·  частотное преобразование принимаемых радиосигналов с целью перенесения в область частот, где обеспечиваются наилучшие условия их обработки; 

·  изменение параметров РПрУ для достижения заданного или наилучшего качества его работы (адаптация) при изменениях электромагнитной обстановки в месте приема, определяемой совокупностью всех помех. Обобщенная структурная схема, отражающая основные функции РПрУ, представлена на рис.  1.3. Она состоит из пяти функциональных блоков-трактов.

В  усилительно-преобразовательном тракте  (УТ) осуществляется выделение  полезных сигналов из всей совокупности поступающих от антенны А сигналов и помех, не совпадающих по частоте  с полезным сигналом, и усиление последнего до уровня, необходимого для нормальной работы последующих каскадов.  Непосредственно  с сигналом могут производиться нелинейные процедуры (смещение спектра, ограничение амплитуды и др.),  но  в принимаемую информацию указанный тракт существенных искажений не вносит,  и в этом смысле его можно считать линейным. 

 

Рис. 1.3. Обобщенная структурная  схема РПрУ

 

В  информационном тракте  (ИТ) осуществляется основная обработка  сигнала с целью выделения  содержащейся в нем информации (демодуляции) и ослабление мешающего воздействия помех. При этом важнейшей задачей является выделение  информации с максимальной достоверностью  —  так называемый оптимальный прием. Для этого в составе ИТ предусматриваются оптимальный фильтр, цепи последетекторной обработки, следящие системы частотной (ЧАПЧ) и фазовой (ФАПЧ) автоматической подстройки частоты, используемые для демодуляции сигнала, а также для его поиска и сопровождения по частоте, фазе и задержке.

Гетеродинный тракт  (ГТ) преобразует частоту собственного или внешнего опорного генератора и формирует сетки частот, необходимые для работы преобразователей частоты в УТ, следящих систем и устройств обработки сигнала в ИТ. В современных приемниках может использоваться самостоятельное устройство — синтезатор частот (СЧ), обеспечивающий работу и других подсистем радиосистемы, прежде всего РПрУ.

Тракт адаптации, управления и контроля  (ТАУК) позволяет осуществлять ручное, дистанционное и автоматизированное управление режимом работы РПрУ (включение и выключение, поиск и выбор сигнала, адаптация к изменяющимся условиям работы и т.д.) и отражает качество его работы на соответствующих индикаторах. 

В  оконечном устройстве  (ОУ) энергия выделяемого сигнала  используется для получения требуемого выходного эффекта – акустического (телефон, громкоговоритель), оптического (кинескоп, дисплей), механического (печатающее устройство).

Вторичный источник питания (ВИП) преобразует энергию первичного источника в форму, удобную для  использования непосредственно  в РПрУ. В ВИП может осуществляться преобразование напряжения, выпрямление, фильтрация, стабилизация. обладают всеми свойствами, характерными для подсистем сложной системы. Они взаимодействуют с другими элементами радиосистемы (радиопередающим устройством,  антенной, устройствами управления и контроля и др.), с окружающей средой и оператором. Иерархичность структуры РПрУ проявляется в том,что отдельные тракты, блоки и узлы являются управляющими для одних и управляемыми для других элементов подсистемы. Поскольку прием полезных сигналов всегда осуществляется в условиях воздействия недетерминированных, непредсказуемых помех, функционирование приемной подсистемы носит стохастический характер. Рассмотренная структурная схема является наиболее общей, однако в конкретных РПрУ отдельные связи между трактами и даже некоторые тракты могут отсутствовать или выполнять более ограниченный набор функций.

 

Основные типы структурных  схем радиоприемников 

 

По степени сложности  структурной схемы радиоприемники принято делить на следующие типы:

·  детекторные;

·  прямого усиления;

·  прямого преобразования;

·  супергетеродинные.

Наиболее простой схемой является схема детекторного приемника. В детекторном приемнике выполняются  всего две абсолютно необходимых  функции: частотная селекция сигнала (настройка на станцию) и демодуляция (детектирование) сигнала, заключающееся в выделении сообщения.

 

Простейший приемник, выполняющий над радиосигналом  указанные выше операции, состоит  из входной избирательной цепи (одиночного контура), осуществляющего фильтрацию сигнала, и детектора. Структурная схема такого РПрУ представлена на рис. 1.4, а принципиальная – на рис. 1.5. Основные недостатки детекторного приемника  –  слабая избирательность и неспособность принимать слабые сигналы. Слабые сигналы, подаваемые на вход детектора, преобразуются в первичный сигнал с большими искажениями.

Такие приемники применялись  на заре радиотехники, в настоящее  время вследствие присущих им серьезных  недостатков практически не используются, за исключением оптического диапазона волн.

 

Рис. 1.4. Детекторный радиоприемник (структурная схема)

Рис. 1.5. Принципиальная схема детекторного приемника

 

Для улучшения характеристик приемника  используют дополнительную операцию – усиление принятого сигнала.

Усиление может осуществляться как на высокой частоте (до детектора), так и на низкой частоте (после детектора). Усиление до детектора реализуется с помощью усилителей с резонансной нагрузкой, которые обеспечивают дополнительную фильтрацию. Изменяя резонансную частоту контуров в нагрузке усилителей с помощью конденсатора переменной емкости, можно перестраивать приемник по частоте, выделять необходимые полезные сигналы в некотором диапазоне рабочих частот.

Уровень принимаемых сигналов на входе  приемника может  быть различным, а напряжение на входе детектора должно быть постоянным. Поэтому в приемник обычно вводят регулировку усиления. Все выше перечисленные операции реализуются в приемниках прямого усиления, прямого преобразования и в приемниках супергетеродинного типа. Структурная схема  приемника прямого усиления  изображена на рис. 1.6. Усиление сигнала производится непосредственно на частоте принимаемого сигнала вплоть до детектора, т.е. на частоте, которая воспринимается антенной.