книги из ГПНТБ / Радиоприемные устройства учебник
..pdf
РАДИОПРИЕМНЫЕ
УСТРОЙСТВА
Под обще й р е д а к ц и е й члена-корреспондента Академии наук СССР, доктора технических наук, профессора
В. И. Сифорова
Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебника для студентов радиотехнических специальностей вузов
М о с к в а |
« С о в е т с к о е |
р а д и о » |
8 9 7 4 |
6Ф2.12
Р 15
УДК 621.396.621.001
W4
Радиоприемные устройства. Под общей редакцией чл.-корр. Академии наук СССР, докт техн. наук, проф. В. И. С и ф о р о в а . Учебник для вузов. М., «Сов. радио», 1974.
Книга является учебником по курсу «Радиоприемные устройства». В нем обобщаются исследования отечественных и зарубежных авторов по теории и тех нике радиоприема. Наряду с классическими вопросами усиления, преобразо вания и детектирования радиосигналов, значительное место отведено рассмо трению современных методов построения высокочувствительных и помехоустой чивых радиоприемных устройств различного назначения. В отборе материала и методике его изложения отражается опыт, накопленный коллективом кафед ры «Радиоприемные устройства» Московского ордена Ленина энергетического института в процессе чтения лекций, проведения лабораторных работ, упраж-. нений, курсового и дипломного проектирования по одноименному курсу.
Книга предназначена для студентов и аспирантов радиотехнических фа
культетов |
и |
вузов. |
Она может быть полезна также и для широких кругов спе |
|
циалистов, |
работающих |
в области радиотехники и смежных областях науки |
||
и техники. |
|
|
|
|
Рис. 319, |
табл. |
18, |
библ. 124 назв. |
|
Авторы:
Амиантов И. Н., Антонов-Антипов Ю. Н., Васильев В. П., Да нилов Б. В., |Лебедев В. Л.|, Сифоров В. 11., Судаков С. С., Щуцкой К. А.
Р е ц е н з е н т ы :
кафедра радиоприемных устройств Ленинградского электротехнического института им. В. И, Ульянова (Ленина); доктор технических наук, профессор
| А. А. Куликовский
Редакция радиот ехнической лит ерат уры
„30403-029
Р 046(01) — 74 91 ~ 73
© Издательство «Советское радио», 1974.
Предисловие
Настоящий учебник предназначается для радиофакультетов вузов, ведущих подготовку инженеров по специальностям: радиотехника, радиофизика и радиоэлектронные устройства. Он может быть также использован в качестве учебного пособия для студентов других ра диоспециальностей .
В отборе материала и методике его изложения отражается опыт, накопленный коллективом кафедры «Радиоприемные устройства» Мос ковского ордена Ленина энергетического института в процессе чтения лекций, проведения лабораторных работ, упражнений, курсового и дипломного проектирования по одноименному курсу. С целью уг лубления знаний студентов и ознакомления их с последними тенден циями в развитии теории и техники радиоприема два раздела курса: «Статистическая теория радиоприема» и «Методы построения высоко чувствительных радиоприемных устройств» —читались студентам ра диофакультета в виде специальных преддипломных курсов. Материал этих лекций также нашел отражение в учебнике.
По сравнению с двухтомным учебным пособием «Радиоприемные устройства», составленным кафедрой радиоприемных устройств МЭИ
ивыпущенным издательством «Советское радио» в 1961, 1963 г.г., данный учебник содержит новые разделы: радиоприем миллиметровых
иболее коротких волн, параметрические усилители и усилители на туннельных диодах, статистические методы синтеза радиоприемных устройств и некоторые другие. Вместе с тем
— перенесение основ теории флюктуационных процессов, вклю чая вопрос об источниках шума в радиотехнических цепях, в соответствии с действующими в настоящее время программами
вкурс «Радиотехнические цепи и сигналы»;
—обобщенное изложение вопросов усиления и преобразования частоты на электронных лампах и транзисторах;
—исключение устаревшего или имеющего второстепенное значе ние материала, позволили сократить объем предлагаемой книги.
Учебник соответствует действующей программе МВ и ССО СССР
по курсу «Радиоприемные устройства».
При написании учебника авторы стремились к такому методичес кому изложению материала курса, которое в максимальной степени способствовало бы развитию самостоятельных навыков работы студен тов с периодической и монографической литературой по радиоприемным устройствам. Эту цель, в частности, преследует выделение отдельных разделов петитом. Такой материал может быть использован при про ведении учебно-исследовательских работ, курсового и дипломного проектирования.
з
Работа между заторами была распределена следующим образом:
гл. 12 написана И. Н. Амиантовым; гл. l u l l - — В. П. |
Васильевым; |
гл. 2, 8, 14, § 4.3, 4.4 — Б. В. Даниловым; § 6.1 — 6.6 |
включитель |
но — В. Л. Лебедевым; гл. 15 и § 6.7 — В. И. Сифоровым; гл. 10, 13, § 4.1, 4.2 —С. С. Судаковым; гл. 3, 5 и 7 — К. А. Щуцким. В самый разгар работы над учебником ушел из жизни один из авторов — пре красный педагог к методист В. Л. Лебедев. По просьбе авторов его ученик Ю. Н. Антонов-Антипов закончил работу по подготовке к печати материала, написанного В. Л. Лебедевым и, кроме того, написал гл. 9 учебника. Общее редактирование книги выполнено
В. И. Сифоровым.
Авторы считают приятным долгом выразить искреннюю благодар ность за большую и плодотворную работу, проведенную при рецензи ровании рукописи, сотрудникам кафедры радиоприемных устройств Ленинградского электротехнического института им. В. И. Ульянова (Ленина) под руководством и при участии профессора А. П. Сиверса.
Большую работу по рецензированию рукописи выполнил безвре менно скончавшийся докт. техн. наук, профессор А. А. Куликовский, полезные замечания и пожелания которого позволили авторам еще раз критически осмыслить научно-методические вопросы курса, ис править и улучшить изложение его отдельных вопросов. Наконец, авторы ценят помощь товарищей по работе при перепечатке материа
ла и оформлении рисунков.
Авторы заранее благодарны за все предложения и замечания, по лезные для последующей работы над содержанием учебника, которые можно сообщить по адресу: Москва, главпочтамт, а/я 693, издательст во «Советское радио».
Авторы
1. Общая характеристика радиоприемных устройств
1.1. Обобщенная структурная схема радиоприемного устройства
Радиоприемное устройство является неотъемлемой частью любой радиотехнической системы. В первые годы развития радиотехники воз можность «беспроволочной» передачи сообщений использовалась ис ключительно для целей связи; это время характеризуется интенсивным развитием радиотелеграфии, радиотелефонии, а также радиовещания. В дальнейшем совершенствование радиотехнической аппаратуры и ос воение новых частотных диапазонов привело к созданию качественно новых направлений и к бурному развитию таких областей радиотех ники, как телевидение, радиолокация, радиоуправление, радионави гация, радиоастрономия и т. д. В связи с этим в настоящее время для радиоприемных устройств весьма характерным является большое их разнообразие, определяемое различием радиотехнических систем, в состав которых они входят. Несмотря на такое многообразие, все радиоприемные устройства связывает общность построения структур ной схемы. Это позволяет в основу изучения радиоприемных устройств положить раздельное рассмотрение блоков, входящих в состав любого радиоприемного устройства независимо от его назначения. В соответст вии с этим принципом изложен основной материал настоящей книги.
На рис. 1.1 в несколько упрощенном виде изображена схема системы радиосвязи. Ее назначение состоит в том, чтобы наиболее точно вос становить на выходе приемного устройства передаваемое от датчика сообщение.
Под сообщением понимается какая-либо форма представления ин формации, например, текст, речь, оптическое изображение, цифровые данные и т. д. Сообщение преобразуется в так называемый модулирую щий сигнал, представляющий собой изменяющееся во времени напря жение (или ток), отображающее сообщение. Например, речь преобра зуется микрофоном в низкочастотное напряжение. Поскольку такое преобразование однозначно, для конкретной системы радиосвязи по нятия «сообщение» и «модулирующий сигнал» тождественны.
С помощью модулирующего сигнала модулируется один из пара метров высокочастотного колебания. Такое модулированное колебание называется радиосигналом. Радиосигнал формируется в передающем устройстве и излучается в окружающее пространство. Очевидно, что точность воспроизводимых радиоприемным устройством сообщений зависит от искажений, которым подвергается радиосигнал при про-
5
хождений в системе радиосвязи. Эти искажения обусловлены следую щими причинами:
1)техническим несовершенством аппаратуры системы радиосвязи;
2)различными неоднородностями среды, в которой происходит рас
пространение радиосигнала; 3) мешающим действием внешних помех (атмосферных, промышлен
ных, специально организованных и т. д.); 4) мешающим действием принципиально неустранимого собствен
ного шума радиоприемного устройства.
Рис. 1.1
Радиоприемное устройство может быть представлено с помощью структурной схемы (рис. 1.2), назначение отдельных узлов в которой определяется основными функциями, выполняемыми каждым радио приемным устройством. К ним относятся:
1. Преобразование электромагнитного поля сигнала в высокочастот ные токи или напряжения. Такое преобразование выполняет приемная антенна.
Рис. 1.2
2.Выделение колебаний с частотой принимаемого сигнала и эф фективное подавление сигналов на других несущих частотах, т. е. осу ществление частотной избирательности сигнала. Эта задача решается избирательными системами, входящими в тракт высокой частоты.
3.Детектирование принятого сигнала, т. е. выделение напряжения, соответствующего модулирующему сигналу, с помощью которого пе редается полезное сообщение. Эта задача в зависимости от вида моду ляции сигнала решается амплитудным, частотным или фазовым детек торами.
6
4. Ослабление мешающего действия помех, спектр которых частич но или полностью перекрывает спектр сигнала, т. е. обеспечение поме хоустойчивого радиоприема. Все способы повышения помехоустойчи вости основаны на использовании каких-либо различий между сигна лом и помехой. Реализация этих способов заключается в соответствую щем выборе электрических характеристик отдельных блоков радио приемника и введении специальных схем обработки принимаемых ко лебаний. Эти схемы могут быть включены как в высокочастотный, так
ив низкочастотный тракт.
5.Усиление принятого сигнала с целью обеспечения нормальной работы исполнительного устройства, воспроизводящего принятое сооб щение, и всйомогательных схем защиты от помех. В общем случае уси ление может производиться в трактах как высокой, так и низкой час тоты.
Основная обработка принятого сигнала, как следует из изложен ного, производится в трех основных звеньях радиоприемного устройст ва: в высокочастотном (ВЧ) тракте, детекторе и низкочастотном (НЧ) тракте. Эту часть (она выделена на рис. 1.2 пунктиром) принято называть радиоприемником. Конкретное схемное выполнение радио приемника определяется 'общими требованиями, предъявляемыми к радиоприемному устройству в целом. В зависимости от схемного выполнения высокочастотного тракта радиоприемники разделяются на два основных типа: приемники прямого усиления и супергете родинные приемники.
1.2. Приемники прямого усиления
' Структурная |
схема приемника прямого усиления показана на |
рис. 1.3. Здесь |
высокочастотный тракт, состоящий из избирательной |
входной цепи (ВЦ) и усилителя радиочастоты (УРЧ), содержит мини мальное число блоков, необходимых для осуществления перечислен ных функций радиоприемного устройства.
Приемник прямого усиления характеризуется тем, что его высоко частотный тракт осуществляет усиление и частотную избирательность
непосредственно (прямо) на частоте |
|
|
|
|
принимаемого сигнала. Этим объяс |
|
|
|
|
няется название приемников |
такого |
ВЦ |
УРЧ |
УНЧ |
типа. |
радио |
|
|
|
Входная цепь и усилитель |
|
|
|
|
частоты являются составными частями |
|
Рис. |
1.3 |
|
не только приемников прямого уси |
|
|||
ления, но и приемников других ти |
этих |
блоков |
и требования, |
|
пов. Поэтому рассмотрим назначение |
||||
предъявляемые к ним, несколько подробнее. В первую очередь опреде лим назначение входной цепи.
Известно, что на выходе приемной антенны помимо сигнала могут действовать помехи на различных частотах от многих передающих устройств. Ламповый или транзисторный каскад усилителя радиочас-
тоты в принципе является нелинейным устройством. Если предполо жить, что сигнал и помехи с выхода антенны непосредственно посту пают на вход первого каскада УРЧ, то их взаимодействие может вызы вать так называемый эффект перекрестной модуляции (см. гл. 3). Внеш нее проявление этого эффекта заключается в том, что модуляция помехи «переходит» на колебание принимаемого сигнала. Таким образом, вход ная цепь должна обеспечить.высокую частотную избирательность до
входа первого каскада УРЧ с целью ослабления помех и исключения эффекта перекрестной модуляции. Кроме того, входная цепь должна выполнять роль согласующего устройства, обеспечиваю щего, например, максимальную мощ ность сигнала, поступающего из ан тенны на вход УРЧ. Отметим, что с по мощью входной цепи возможен другой вид согласования, позволяющий мини мизировать влияние собственного шума первого каскада УРЧ (см. гл. 3).
Рассмотрим теперь основные требо вания, предъявляемые к усилителю ра диочастоты. Помимо обеспечения частот ной избирательности, усилитель радио частоты должен усилить принимаемый сигнал, мощность которого на входе приемника на много порядков меньше той, которая необходима для нормаль ной работы исполнительного устройства. Как уже было сказано, сигнал может быть усилен как в высокочастотном, так и в низкочастотном тракте. Распределе ние общего усиления между этими трак тами — весьма важный вопрос, решае мый при проектировании приемника.
Основное требование, которым руководствуются при выборе коэф фициента усиления высокочастотного тракта, состоит в обеспечении нормальной работы детектора. Поясним это на примере диодного де тектора AM колебаний, который наиболее часто используется в при емниках. Известно, что наиболее важные электрические характеристи ки диодного детектора — коэффициент передачи Кд, коэффициент не линейных искажений v и входное сопротивление /?вх — существенно зависят от амплитуды U сигнала, действующего па входе детектора (ем. гл. 8). Примерный вид этих зависимостей для последовательного детектора показан на рис. 1.4. Граничное значение амплитуды Пгр входного сигнала, начиная с которой электрические показатели детек тора становятся достаточно высокими, соответствует величинам U = = 0,5 - 1 В в зависимости от типа диода. Таким образом, резонанс ный коэффициент усиления УРЧ целесообразно выбирать так, чтобы напряжение на выходе УРЧ обеспечивало режим линейного детекти-
рования. Поэтому обычно выходное напряжение УРЧ принимают рав ным Urр или близким к нему. Уровень сигналов на входе приемника очень мал и обычно лежит в пределах Нвх = 1 ч- 100 мкВ. Резонансный коэффициент усиления УРЧ в этом случае должен быть равен К0у р ч = = 10е 104. Коэффициент усиления УРЧ сверх этой величины обыч но не повышают, так как это вызывает серьезные трудности, связанные с устранением паразитной обратной связи, вызывающей неустойчивую
работу УРЧ.
В простейшем варианте низкочастотный тракт приемника состоит из усилителя низкой частоты (УНЧ), который усиливает выходное на пряжение детектора до уровня, необходимого для нормальной работы исполнительного устройства. Если исполнительное устройство требует для своей работы значительной мощности, то последний каскад УНЧ
Низкая высокая
Рис. 1.5
должен быть усилителем мощности. Обычно выходное напряжение, по ступающее на исполнительное устройство или усилитель мощности, не превышает десятков вольт. Требуемый коэффициент усиления УНЧ при этом не превосходит Кунч = 100. Сопоставляя.приведенные здесь типичные значения для Ко урч и Кунч»можно сделать вывод, что ос новное усиление в приемнике, как правило, происходит в высокоча
стотном тракте.
Приемники прямого усиления были широко распространены при мерно до 1935 г. К этому времени были освоены более совершенные супергетеродинные радиоприемники. Сейчас, когда к радиоприемным устройствам предъявляются весьма высокие требования и интенсивно осваиваются новые частотные диапазоны, радиоприемники прямого усиления из-за присущих им недостатков находят весьма ограничен
ное применение.
Покажем основные недостатки приемников прямого усиления.
Не касаясь пока вопроса о количественной оценке частотной изби рательности, можно утверждать, что полоса пропускания приемника не должна превосходить ширину спектра принимаемого сигнала (рис. 1.5). Если это условие будет нарушено, то избирательность при емника по соседнему каналу окажется неудовлетворительной, так как приемник не сможет освободиться от мешающего действия сигналов
на частотах /' и f".
Рассмотрим с этой точки зрения возможности приемника прямого усиления, частотная избирательность которого обеспечивается п-
9