 |
Чувствительность приемника
|
|
|
|
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 КУС. 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 РАП 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,
, (3.18)
где k = 1,38∙10–23 Дж/град — постоянная Больцмана;
Пш — шумовая полоса линейной части приемника, Гц;
РАП — 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,
, (3.20)
откуда 
(3.21)
На реальную антенну воздействуют внешние шумы, номинальная мощность которых 
где ТA — шумовая температура антенны. Таким образом реальная чувствительность приемника:
(3.22)
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
Uвх= 988,077∙10-6 В, на выходе АРУ Uвых= 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: Uвх1= 988,077∙10-6 В, Uвх2= 9,999∙10-3В.
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
Uвх= 993,961∙10-6В, на выходе Uвых= 4,429∙10-3В.
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 Δ t.
Второй – этап оцифровка каждого отсчета. Диапазон возможных значений напряжений (umin, umax)делится на M интервалов длиной
Δ u= (umax- umin)/ M (2.24)
каждый. Величина Δ u называется шагом квантования по уровню. Далее интервалы нумеруют M- ичными цифрами снизу вверх, начиная с цифры 0.
Определим частоту дискретизации по теореме Котельникова:
Fk= 2∙ Fв, (2.25)
Fk= 2∙17,725∙ 106 = 35,45∙106 отсчетов/с.
Теперь найдем шаг квантования по уровню, используя значения Umax=4,249∙10-3 В, Umin= -4,249∙10-3 В.
umax- umin = (4,249∙10-3 + 4,249∙10-3 В)= 8,5∙10-3 В,
Значение M выбираем равным 16384, так как 214= 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
|
|
|
