Однокритериальный измеритель частотной избирательности радиоприёмника

Министерство образования Республики Беларусь

Белорусский Государственный Университет

Информатики и Радиоэлектроники

Кафедра: радиотехнических систем

Факультет: радиотехники и электроники

К защите допускаю

Заведующий кафедрой РТС

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к дипломному проекту

На тему: Однокритериальный измеритель частотной избирательности радиоприёмника

Дипломник:

Руководитель:

Консультанты:

по охране труда и экологии

по экономике

Рецензент:

г. МИНСК 2004

Введение

Электромагнитные излучения воспринимаются практически всеми объектами, однако интерес могут представлять только те воздействия, которые ведут к каким-либо последствиям. Влияние помех на РТС происходит в основном через РПрУ. От уровня такого влияния зависит качество работы радиотехнической системы. РПрУ предназначено для улавливания энергии электромагнитных волн, выделения полезного радиосигнала и преобразования его в сообщение. Такое назначение обеспечивается работой трех устройств: антенны, радиоприемника и оконечного устройства.

РТС РПрУ обладает свойствами, влияющими на тактико-технические характеристики системы. Так, избирательность РПрУ отражается на ЭМС, помехоустойчивости и помехозащищенности РТС, а следовательно, на дальности действия, точности измерения координат, пропускной способности и т. д.

Большое значение имеют также такие характеристики, как чувствительность, диапазон рабочих частот, надежность, адаптивность и другие показатели РПрУ. Особое место среди характеристик РПрУ занимает динамический диапазон.

С другой стороны, РПрУ как часть РТС, следуя системному подходу, должно не только влиять на характеристики РТС, но и удовлетворять определенным требованиям. Поэтому при изучении вопросов ЭМС следует иметь в виду не только возможности анализа, но и синтеза РПрУ с заданными характеристиками.

Важнейшей характеристикой РПрУ с точки зрения теории ЭМС является его избирательность. Под избирательностью понимаем способность РПрУ выделять (осуществлять селекцию) полезный сигнал из сложных электромагнитных полей, созданных в точке расположения РПрУ. Для обеспечения избирательности используют отличия полезного сигнала от помех в основном по следующим параметрам: несущей частоте, направлению прихода волны, поляризации, времени прихода сигналов и т. д. Наиболее глубоко в настоящее время изучена частотная избирательность радиоприемников.

Кривая избирательности, отображающая зависимость снятого по мощности нормированного коэффициента передачи от частоты k(f), достаточно полно характеризует частотную избирательность в линейном режиме. Однако при изучении ЭМС предполагается, что на входе приёмника динамический диапазон сигналов может превзойти динамический диапазон приёмника. Возможны нелинейные преобразования входных сигналов с образованием помех, проникающих на выход приёмника при условии, что частоты входных сигналов не совпадают ни с основным, ни с побочными каналами.

Выявление таких помех возможно только при подаче на вход приёмника двух и более испытательных сигналов. Так, возникла необходимость в оценке двухсигнальной и многосигнальной избирательности.

Из характеристик избирательности цепей и устройств рассмотрим характеристику, представляющую собой нормированную зависимость коэффициента передачи k(x) цепи (устройства) по мощности от значения параметра х при номинальных данных на выходе.

Существование порогового эффекта и его схемная реализация, выполненная в большинстве РПрУ, позволяет допускать, что принимаются только сигналы на уровне порога или выше его. Это утверждение является составной частью модели ЭМО и РПрУ. Всё, что ниже порога, механически не отбрасывается, а участвует в создании некоторого конечного уровня помех , непосредственно влияющего на выбор порога .

В радиоприёмнике различают линейную и нелинейную части. К линейной части относят все цепи до входа детектора. При этом линейность тракта оценивается по его реакции на полезный сигнал, если амплитуда последнего не слишком велика. Детектор и последующие цепи, меняют свои параметры в зависимости от уровня напряжения сигнала. Поэтому их относят к нелинейной части приёмника.

Однако так называемая линейная часть приемника при очень больших уровнях полезного или мешающего сигналов может работать в нелинейном режиме, при котором параметры цепей изменяются в зависимости от интенсивности сигнала. Возникает ряд нежелательных эффектов, ухудшающих работу РПрУ. В частности, одним из них является интермодуляция, или взаимная модуляция.

Под интермодуляцией в радиоприемнике следует понимать возникновение помех на выходе радиоприемника при действии на его входе двух и более сигналов, частоты которых не совпадают с частотами основного и побочных каналов приема радиоприемника [4].

Интермодуляция в более узком смысле сводится к образованию в результате нелинейных преобразований новых частотных составляющих, отсутствующих в спектре исходных колебаний. При этом вновь образованные колебания могут оказывать мешающее действие, если их частоты совпадают с основным или побочными каналами приема. Если считать непреднамеренные помехи сосредоточенными по спектру, то на выходе нелинейного элемента образуются колебания с частотами

,

где  — целые положительные и отрицательные числа.

Число

называют порядком интермодуляции. Отметим, что число взаимодействующих сигналов, особенно число каналов, через которые проникает помеха, настолько велики, что детальное теоретическое изучение всего многообразия частотных комбинаций затруднительно. Поэтому на первый план выходят методы экспериментальных оценок влияния интермодуляции.

При теоретическом изучении интермодуляции накладывают ряд ограничений, которые сводятся к следующему. Амплитуды составляющих с ростом порядка интермодуляции быстро падают. В связи с этим интермодуляции могут быть третьего или четвертого порядка (редко седьмого). На сложность процессов особенно значительно влияние числа взаимодействующих сигналов, поэтому и в теории и в эксперименте ограничиваются двумя сигналами с частотами  и . При этом можно решить большинство вопросов, определяющих закономерности образования продуктов интермодуляции и наметить достаточно эффективные меры по борьбе с помехами такого типа, полагая, что они должны способствовать уменьшению уровня помех от интермодуляции, возникающей за счет трех и более сигналов.

С такими оговорками для частот помех интермодуляции можно записать следующие равенства:

 (2.1)

Продукты интермодуляции возникают в основном в активных элементах усилителя высокой частоты и преобразователя частоты. В усилителе высокой частоты при наличии хорошей избирательности по высокой частоте наиболее благоприятные условия создаются для частот вида

и, в частности, для частот

и

поскольку в этом случае частоты  и  могут иметь значения, близкие к частоте  полезного сигнала.

Все другие комбинации частоты также эффективны, если они после преобразователя частоты непосредственно проникают в тракт основной селекции по частоте, т. е. в тракт усиления промежуточной частоты.

Особое место занимает вид интермодуляции, при которой образуются помехи за счет взаимодействия сосредоточенного по частоте мешающего сигнала и шума. Если считать, что шум имеет сплошной спектр, то при наличии сосредоточенной помехи всегда можно найти такие участки спектра, которые с этой помехой образуют продукты интермодуляции, совпадающие с основным или побочными каналами приемника. В конечном итоге увеличивается уровень шума и снижается чувствительность приемника.

Блокированием в радиоприемнике [3] называется изменение уровня сигнала или отношения сигнал/шум на выходе радиоприемника при действии радиопомехи, частота которой не совпадает с частотами основного и побочного каналов приема. Основная причина такого изменения—уменьшение усиления линейной части радиоприемника под действием мешающего сигнала. Это уменьшение происходит в усилителе высокой частоты или преобразователе. Поэтому ухудшается чувствительность приемника в целом. Блокирование возникает в результате помехи, которая не может сама пройти через приемник (как и при интермодуляции). Поэтому образование таких помех возможно для сигналов с большой интенсивностью, вероятность появления которых может быть невысокой.

Третьим (после интермодуляции и блокирования) распространенным видом помех, связанных с нелинейными явлениями, стали перекрестные искажения. Перекрестными искажениями в радиоприемнике [4] называются изменения структуры спектра сигнала на выходе радиоприёмника при действии сигнала и модулированной радиопомехи, частота которой не совпадает с частотами основного и побочного каналов приема радиоприёмника.

Перекрестные искажения являются результатом действия сильной помехи на коэффициент усиления усилителя высокой частоты или преобразователя частоты в соответствии с модуляцией этой сильной помехи. Меняется и полезный сигнал: происходит «перенос» модуляции с помехи на полезный сигнал. Глубина модуляции может быть достаточно большой, что затрудняет прием полезного сигнала. Перекрестные искажения появляются также при фазовой и частотной модуляциях. Поэтому различают амплитудную и угловую перекрестные модуляции. Амплитуды мешающих сигналов ограничены сверху уровнем , при котором отрицательные последствия нелинейных явлений еще допустимы. Соответственно можно говорить о допустимой мощности , ограничивающей мощность непреднамеренных помех сверху.

Минимальные уровни сигналов на входе приемника определяются пороговым эффектом и соответственно равны  или . Таким образом, нелинейные явления ограничивают диапазон сигналов сверху, а шумы приемника — снизу. Отношение верхнего значения напряжения  к пороговому уровню  называют динамическим диапазоном радиоприемника.

Динамический диапазон радиоприёмника характеризует, таким образом, линейность его входа от антенны до усилителя промежуточной частоты. Однако понятие «динамический диапазон» имеет и другой смысл. Поэтому различают динамические диапазоны по основному и соседнему каналам.

Динамический диапазон по основному каналу измеряется на выходе УПЧ, характеризует ту часть приёмника, которую принято называть линейной, и зависит от нелинейности последних каскадов УПЧ. В отдельных случаях он может определяться на выходе видеоусилителя или усилителя низкой частоты. Возможно существенное расширение динамического диапазона приемника по основному каналу за счет применения автоматической регулировки усиления или логарифмического УПЧ.

Динамический диапазон по соседнему каналу характеризует линейность тракта от входа РПрУ до входа УПЧ. Этот диапазон может сопоставляться с динамическим диапазоном входных сигналов. Верхняя граница диапазона определяется наименьшим значением интенсивности входных сигналов, при котором заметное влияние оказывают интермодуляции, блокирование или перекрестные искажения.

Известны методы измерения двухсигнальной избирательности, основанные на использовании двух генераторов стандартных сигналов, отличающиеся относительно малой информативностью и производительностью.

Существует метод, не имеющий таких недостатков и обеспечивающий двухсигнальное зондирование приёмника с панорамной индикацией. Функциональная схема прибора показана на рис.1 Генераторы сигналов ГС1 и ГС2 под действием пилообразных напряжений генераторов развертки ГР1 и ГР2 меняют частоты  и  соответственно по пилообразному закону. Периоды пилообразных напряжений  и  и соответствующие им периоды изменения частот сигналов существенно отличаются друг от друга. В нашем случае .

Рис.1 Функциональная схема прибора с панорамной индикацией

Частотно-временные диаграммы перестройки ГС1 и ГС2 показаны на рис.2 Приёмник должен реагировать на сигналы, если их частоты совпадут с частотой настройки основного канала  или с частотами канала промежуточной частоты , зеркального  и других побочных каналов и если уровень сигналов на входе приёмника будет достаточным. Этот уровень можно регулировать с помощью аттенюатора (Ат), включенного между сумматором  и входом радиоприемника.

Рис.2 Частотно-временные диаграммы перестройки ГС1 и ГС2

В качестве индикатора (И) применяют осциллограф, при этом генераторы развёрток подключают на оси  и , а выходной сигнал радиоприёмника подают на ось  (электрод яркости).

На экране электронно-лучевого индикатора следует ожидать изображение, аналогичное показанному на рис.3. Основной канал приёма представляет крестообразную фигуру, пересекающиеся линии которой соответствуют равенствам  и . Линии, пересекающиеся под прямым углом и параллельные осям координат  и , изображают канал промежуточной частоты, зеркальный канал и другие побочные каналы. Интермодуляционные помехи на экране имеют форму наклонных прямых (см. рис.3). Каждый из интермодуляционных каналов показан на экране в виде наклонной прямой.

Аттенюатор является важнейшим измерительным инструментом, с помощью которого определяют восприимчивость приёмника к различным одиночным и двойным мешающим сигналам. При перестройке генераторов следует обеспечить все разности из частот  и , что при наличии нелинейности в приёмнике приводит к образованию в тракте УПЧ комбинаций . Отклики приёмника позволяют оценить восприимчивость приёмника на частотах, соответствующих односигнальной и двухсигнальной избирательности.

Таким образом, новый подход к приёмнику с позиций ЭМС породил и новый метод построения измерительной аппаратуры. Статистическая теория ЭМС легко обосновывает целесообразность использования такого метода и дает возможность рассчитать основные характеристики реализующих его устройств.

1.Обзор патентной и технической документации

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться для контроля восприимчивости радиоприёмника к помехам по неосновным каналам приёма.

Цель изобретения – повышение достоверности контроля.

На (рис.1) представлена структурная схема предложенного устройства.

Устройство контроля восприимчивости радиоприёмника к помехам содержит генератор 1 тактовых импульсов, первый делитель частоты 2, первый генератор 3 пилообразного напряжения, первый генератор 4 качающейся частоты, первый счётчик 5 импульсов, второй генератор 6 пилообразного напряжения, второй генератор 7 качающейся частоты, сумматор 8, мультиплексор 9, первый дешифратор 10, управляемый аттенюатор 11, индикатор 12, блок 13 запуска, амплитудный детектор 14, компаратор 15, второй делитель частоты 16, второй счётчик 17 импульсов, второй дешифратор 18, показан также контролируемый радиоприёмник 19.

Устройство работает следующим образом.

Импульсы с выхода генератора 1 тактовых импульсов с периодом следования Тx поступают на первый делитель частоты 2 с коэффициентом деления Ny, а также запускают второй генератор 6 пилообразного напряжения, который управляет вторым генератором 7 качающейся частоты. При этом имеет место качание частоты fx в диапазоне Df с периодом Тx. С выхода первого делителя частоты 2 импульсы с периодом Ty поступают на первый генератор 3 пилообразного напряжения, который управляет первым генератором 4 качающейся частоты. При этом имеет место качание частоты fy в диапазоне Df с периодом T2/

 (1.1)

 (1.2)

 (1.3)

где Df - диапазон перестройки генераторов по частоте;

- полоса пропускания усилителя промежуточной частоты (наиболее узкополосного звена) контролируемого радиоприёмника 19.

Сканирование по диапазону Df происходит по линейному закону, что соответствует гипотенузе о равномерном распределении частот мешающих сигналов. Уровень мощностей первого и второго генераторов 4, 7 качающейся частоты одинаков, поскольку нет оснований для установления других соотношений. Далее сигналы поступают на сумматор 8, с выхода которого суммарный сигнал поступает на сигнальный вход управляемого аттенюатора 11.

Импульсы с выхода генератора 1 тактовых импульсов поступают также на первый счётчик 5 импульсов, количество разрядов которого определяется из выражения:

; (1.4)

где - коэффициент давления первого делителя частоты 2;

h – количество уровней управляемого аттенюатора 11;

k – разрядный двоичный код с выхода первого счётчика импульсов 5 поступает на вход мультиплексора 9. Мультиплексор 9 предназначен для выделения из общей последовательности импульсов за время измерения

тех импульсов время появления которых соответствует времени переключения управляемого аттенюатора 11 на каждую i-ю ступень.

Исходя из вероятностного закона распределения мощностей непреднамеренных помех являющегося в данном случае энергетической моделью электромагнитной обстановки:

 ;

Где b – нормирующий множитель;

m – степень гиперболы;

P – мощность непреднамеренной помехи;

P0 – чувствительность контролируемого радиоприёмника 19;

Pб – мощность блокирующей помехи;

найдём относительное время появления необходимых импульсов:

 (1.5)

где А=Р1/Р0 – относительный диапазон мощностей непреднамеренных помех;

R=(m-1)*2-k*Pбm-1/b; (1.6)

 - относительное время следования импульсов;

 - номер ступени управляемого аттенюатора 11.

При наступлении времени t(i) на выходе мультиплексора 9 вырабатывается двоичный код номера i, который преобразуется первым дешифратором 10 в сигнал, переключающий управляемый аттенюатор 11 на i-ю ступень.

Таким образом, на выходе управляемого аттенюатора 11 формируется зондирующее воздействие, соответствующее энергетической и частотной модели реальной электромагнитной обстановки.

С выхода управляемого аттенюатора 11 зондирующее воздействие подаётся на вход контролируемого радиоприёмника 19, отклики которого с выхода его усилителя промежуточной частоты поступают на амплитудный детектор 14, с выхода которого огибающая отклика поступает на компаратор 15, предназначенный для нормирования амплитуды отклика для согласования с входными уровнями цифровых микросхем. Импульсы, соответствующие откликам, поступают на в0торой делитель частоты 16 с коэффициентом деления

N0 соответствует количеству откликов, возникающих на выходе контролируемого радиоприёмника 19 за время измерения Ти за счёт основных каналов приёма. Таким образом, на выходе второго счётчика импульсов 17 получают двоичный код

, (1.7)

где Nc – общее количество откликов на выходе контролируемого радиоприёмника 19 за время измерения Т3 (за счёт как основных каналов приёма, так и побочных).

Физический смысл величины G виден из выражения:

, (1.8)

где - эквивалентная по числу проникающих сигналов полоса пропускания радиоприёмника с учётом побочных каналов приёма.

Таким образом, G – статистическая характеристика контролируемого радиоприёмника 19, показывающая относительную ширину эквивалентной по числу проникающих сигналов полосы пропускания контролируемого радиоприёмника 19 в условиях реальной электромагнитной обстановки.

Двоичный код, полученный в результате измерения величины G, поступает на второй дешифратор 18, на выходе которого подключён индикатор 12.

После прохождения через первый счётчик 5 всей совокупности импульсов на его выходе переполнения появится импульс блокировки, поступающий на вход блока 13 запуска, на выходе которого появится потенциал, блокирующий работу генератора 1, и процесс контроля прекратится. Таким образом, время измерения строго стабилизировано, и цикл изменения полностью автоматизирован.

При очередном запуске после нажатия кнопки, входящей в состав блока 13 запуска, на выходе блока 13 запуска вырабатывается импульс установки первого и второго счётчиков 5, 17 импульсов и первого и второго делителей частоты 2, 16 в нулевое состояние, и процесс измерения повторится.

Формула изобретения

Устройство контроля восприимчивости радиоприёмника к помехам, содержащее первый и второй счётчики импульсов, индикатор, управляемый аттенюатор, выход которого является входом контролируемого радиоприёмника, амплитудный детектор, сумматор, выход которого соединён с информационным входом управляемого аттенюатора, последовательно соединённые генератор тактовых импульсов, первый делитель частоты, первый генератор пилообразного напряжения и первый генератор качающейся частоты, второй делитель частоты, последовательно соединённые второй генератор пилообразного напряжения, вход которого соединён с выходом генератора тактовых импульсов, и второй генератор качающейся частоты, отличающееся тем, что, с целью повышения достоверности контроля, введены блок запуска , компаратор, последовательно соединённые мультиплексор, вход которого соединён с информационным выходом первого счётчика импульсов, и первый дешифратор, выход которого соединён с управляющим входом управляемого аттенюатора, второй дешифратор, вход и выход которого соединены соответственно с выходом второго счётчика импульсов и входом индикатора, вход амплитудного детектора является выходом контролируемого радиоприёмника, а выход амплитудного детектора подключён к входу компаратора, выход которого соединён с входом второго делителя частоты, выход которого соединён с информационным входом второго счётчика импульсов, выходы первого и второго генераторов качающейся частоты соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора, выход генератора тактовых импульсов соединён с входом первого счётчика импульсов, выход переполнения которого соединён с входом блока запуска, выход которого подключён к входу запрета генератора тактовых импульсов и к входу установки нуля первого и второго делителей частоты первого и второго счётчиков импульсов.

Рис.1 Структурная схема устройства контроля восприимчивости радиоприёмника к помехам