Как найти полосу пропускания приемника

При выборе схемы
линейного тракта следует учитывать
необходимую полосу пропускания, которая
существенно влияет на показатели всех
каскадов и элементов приемника.

Под полосой
пропускания линейного тракта приёмника
понимается область частот его
амплитудно-частотной характеристики
(АЧХ) от входа до детектора, в пределах
которой сохраняется его работоспособность,
т.е. обеспечиваются все его основные
характеристики, а искажения сигнала
находятся в допустимых пределах. Полоса
пропускания определяется наиболее
узкополосным частотным фильтром тракта.

При
проектировании радиоприёмника,
предназначенного для работы в широком
диапазоне частот
,
общий диапазон рабочих частот разбивается
на поддиапазоны с относительно малыми
частотными интервалами в каждом
поддиапазоне. Если в пределах поддиапазона
средняя частота сигнала не изменяется,
полоса частот поддиапазона при равномерной
разбивке общей полосынаподдиапазонов равна:

(1.1)

Если
частоты в пределах поддиапазонов плавно
изменяются и
;;…— граничные частоты поддиапазонов, то
находят коэффициент перекрытия
поддиапазонов
:

(1.2)

Полоса
пропускания линейного тракта приёмника
П должна быть не шире полосы частот
поддиапазона
,
т.е
и определяется соотношением:

,

(1.3)

где
— ширина спектра
радиочастот принимаемого сигнала;

—
полоса частот, связанная с нестабильностями
и неточностями настроек приемника;

— доплеровское
смещение частоты сигнала.

Ширина
спектра сигнала
зависит от передаваемой информации и
вида модуляции сигнала.

Для
непрерывных радиосигналов:

1. При
   амплитудной манипуляции (телеграфный
   сигнал):

=(1-3)В,

(1.4)

где
В
– скорость телеграфирования, Бод.

1. При
   амплитудной модуляции (телефонный
   сигнал, речь):

(1.5)

где
кГц
— максимальная частота спектр модулирующего
сигнала

1. При
   однополосной амплитудной модуляции:

   (1.6)

2. При
   частотной модуляции:

,

(1.7)

где

— коэффициент модуляции,
— девиация частоты.

Здесь
следует различать два частных случая:

а)
узкополосной частотной модуляции (),
при этом

(1.8)

б)
широкополосной частотной модуляции
(),
когда

(1.9)

Для
импульсных радиосигналов:

1. В
   радиолокации:

,

(1.10)

где
– длительность
импульса.

1. В
   импульсных каналах связи:

(1.11)

Запас
полосы пропускания, требующийся для
учёта нестабильности частот в радиотракте
и неточностей настроек приёмника
определяется по формуле:

,

(1.12)

где
— нестабильность частоты сигнала
(передатчика) (задаётся в ТЗ);

—
нестабильность частоты гетеродина
(определяется по данным таблицы 1.1 после
выбора типа гетеродина).

Таблица 1.1

Тип гетеродина	Максимальная частота, ГГц	Относительная нестабильность частоты
Транзисторный с вакуумным кварцем и термостабилизацией	10
На туннельном диоде	100
На отражательном клистроне	50

—
нестабильность частоты, связанная с
неточностью начальной установки частоты
гетеродина при настройке

,

(1.13)

где
— частота гетеродина;

—
нестабильность частоты, связанная с
неточностью начальной настройки и
долговременной нестабильностью частоты
фильтров в тракте УПЧ.

Обычно

,

(1.14)

где
— промежуточная частота.

Для
проведения предварительного расчета
можно воспользоваться оценочным
значением промежуточной частоты:

(1.15)

Промежуточная
частота должна быть намного выше низких
значений частот информации для того,
чтобы не внести дополнительных искажений
в информационный сигнал. Кроме того,
промежуточная частота должна лежать
вне диапазона принимаемых частот.

Полученное
номинальное значение промежуточной
частоты можно округлить до ближайшего
значения промежуточной частоты из
стандартного ряда: (30, 60, 90, 120)МГц.

Вычисление значение
частоты гетеродина можно осуществить
по формуле:

(1.16)

Выбор по формуле
«+» или «-» — один из принципиальных
вопросов частотного распределения в
проектируемом радиоприемнике. При «+»
– частоты гетеродина и зеркального
канала выше частоты сигнала, при «-» –
ниже. На практике наиболее часто
используется второй случай.

Полученные значения
промежуточной частоты и частоты
гетеродина являются оценочными,
дальнейшее их использование не
рекомендуется. Точные значения
перечисленных частот определяются при
обеспечении избирательности по
зеркальному каналу, именно они используются
при техническом расчете принципиальной
схемы радиоприемника.

Доплеровское
смещение частоты сигналов,
принимаемых от передатчика, который
перемещается относительно приемника
с радиальной скоростью υ_р
определяется:

,

(1.17)

где
м/с
– скорость
распространения радиоволн;

—
несущая частота сигнала.

Для сигналов,
которые ретранслируются объектом,
перемещающимися относительно
приемопередатчика РЛС:

(1.18)

Для
неподвижных объектов
,
.

Полоса пропускания
супергетеродинного приёмника П
определяется фильтрами УПЧ.

При больших
нестабильностях в тракте необходимая
полоса пропускания приёмника может
оказаться недопустимо большой. При
проектировании приёмников с высокой
чувствительностью необходимо стремиться
к минимальной полосе пропускания. В
этом случае можно ужесточить требования
к нестабильностям в тракте (таблица
1.1, формулы (1.13),(1.14)) или применить
автоподстройку частоты (АПЧ).

В
случае применения частотной АПЧ полоса
пропускания приёмника вычисляется по
формуле:

,

(1.19)

где
— коэффициент частотной автоподстройки.

Необходимо помнить,
что применение АПЧ усложняет схему
приёмника и возможна только при
фиксированных частотах сигнала.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Ширина полосы пропускания приемника

Ширина полосы пропускания приемника

Полосой пропускания радиолокационного приемника называют полосу частот,
в пределах которой его амплитудно-частотная характеристика достаточно равномерна и не приводит к искажению принимаемого сигнала.
Полоса пропускания характеризуется верхней и нижней частотой, а также шириной, которая определяется как разница между ними.
Для обозначения ширины полосы пропускания используют символы
B, BW, Δf или П.
В случае видеосигнала ширина полосы пропускания равна верхней частоте полосы пропускания.
В радиолокационном приемнике ширина полосы пропускания определяется, главным образом, фильтрами промежуточной частоты.
Основополагающим здесь является требование, чтобы приемник мог обрабатывать весь спектр частот отраженных от целей сигналов.

Ширина полосы пропускания оказывает существенное влияние на отношение «сигнал-шум» и, значит, на чувствительность приемника.
Поскольку шум присутствует на всех частотах, то чем шире полоса пропускания приемника, тем выше будет уровень
шума,
прошедшего через нее.

При проектировании ширина полосы пропускания приемника приближенно определяется шириной информативной части спектра принимаемого сигнала.
Под информативной частью спектра сигнала подразумевают ту его часть,
при сохранении которой искажения сигнала не превышают допустимого уровня.
Так, для обнаружения прямоугольного импульса при помощи
быстрого преобразования Фурье (БПФ)
ширина полосы пропускания приемника должна быть равна наивысшей гармонике его спектра.
Чем шире полоса пропускания приемника, тем круче будут фронты импульсов на его выходе.

В общем случае, необходимая ширина полосы пропускания B
приемника для сигнала в виде полупериода синусоиды длительностью τ определяется по формуле:

Под влиянием
эффекта Допплера
длительность отраженного сигнала и ширина его спектра могут изменяться.
Следовательно, для получения информации о допплеровской частоте,
ширина полосы пропускания радиолокационного приемника должна быть несколько шире,
чем спектр излучаемого зондирующего сигнала.

В радиолокаторе, использующем зондирующие сигналы с
внутриимпульсной модуляцией,
необходимая ширина полосы пропускания приемника будет намного выше величины, определяемой при помощи формулы (1).
В этом случае ширина полосы пропускания зависит от вида и параметров модуляции зондирующего сигнала,
длительности сжатого импульса и параметров весовой функции,
применяемой для достижения заданного уровня боковых лепестков импульса после сжатия.

Максимальная практически достижимая ширина полосы частот при использовании современных технологий составляет 200 МГц.
Высококачественные приемники могут иметь настраиваемую полосу пропускания.

Соотношение длительности сигнала и ширины полосы пропускания

Одним из распространенных показателей, используемых для оценивания устройств сжатия импульсов,
является произведение длительности импульса и ширины полосы пропускания: τ·B (измеряется в [мкс·МГц]).
В некоторых радиолокационных системах это произведение может достигать значений от 5 до 1000.
При невысоких значениях произведения (например, от 5 до 15) применяют дополнительные меры по ослаблению боковых лепестков сжатия,
достигая уровня около 35 дБ.
При более высоких значениях произведенияя (от 15 до 500) обеспечивается ослабление боковых лепестков сжатия на уровне 45 дБ.

Значение произведения длительности импульса и ширины полосы пропускания около 1000 говорит о высоком
разрешении по дальности,
обеспечивающем, например, реализацию метода измерения высоты цели по разнице между временем
запаздывания прямого эхо-сигнала и переотраженного от подстилающей поверхности
(Многолучевой метод определения высоты).

2. Разработка и расчет структурной схемы приемника

2.1 Расчет полосы пропускания приемника

Полоса пропускания приемника

,

где    
 – ширина спектра сигнала,

          – нестабильность сигнала.

          Диапазон модулирующих частот , средняя девиация частоты сигнала , тогда индекс модуляции

Нестабильность сигнала на приемной стороне определяется
нестабильностью источника на передающей стороне, шагом сетки частот и
нестабильностью частоты гетеродина.

,

если шаг сетки частот гетеродина
принять равным 10 кГц, частоту гетеродина – приблизительно равной частоте
сигнала, и относительные нестабильности генераторов на передающей и приемной
сторонах порядка . Тогда ширина полосы
пропускания приемника

Коэффициент расширения .
Применение системы АПЧ нецелесообразно.

Коэффициент перекрытия диапазона

Коэффициент достаточно мал,
поэтому разбивку на поддиапазоны производить не будем. Перестройка приемника
будет производиться при помощи конденсатора переменной емкости.

2.2 Выбор промежуточной частоты

В соответствии с заданием подавление соседнего канала
должно быть не менее 36 дБ, или, при пересчете в разы

.

При
этом коэффициент прямоугольности составит

,

где, по заданию, расстройка до
соседнего канала . Из таблицы [1, стр.28] выбираем схему УПЧ,
соответствующую заданному коэффициенту прямоугольности. Это трехкаскадный УПЧ
со связанными парами контуров при критической связи. Из той же таблицы функция . Примем
конструктивную добротность контуров УПЧ равной 150, тогда нагруженная
добротность . Для удовлетворения условия
подавления соседнего канала промежуточная частота должна быть меньше либо равна

Одновременно промежуточная частота должна обеспечивать
удовлетворение условия подавления зеркального канала приема. Должно
обеспечиваться подавление зеркального канала на 46 дБ, или, при пересчете в
разы, . Для этой цели выбираем
однокаскадный () УРЧ с простой резонансной
колебательной системой. Из таблицы [1, стр.28] находим . Примем
конструктивную добротность входной цепи равной 150, тогда нагруженная
добротность . Промежуточная частота должна быть
больше либо равна

,

где

Также необходимо проверить отсутствие существенного
влияния контуров преселектора общую полосу пропускания приемника. Должно
выполняться неравенство

Неравенство выполняется. В соответствии с расчетом
выбираем стандартную промежуточную частоту .

Необходимо произвести проверку на подавление канала
прямого прохождения. По заданию, оно должно быть равно 46 дБ или 199,526 раза.
Обобщенная расстройка

,

подавление канала прямого
прохождения для простого колебательного контура

,

что больше требуемого.

2.3 Расчет требуемого усиления высокочастотного и
низкочастотного трактов

В [3] указано, что в диапазоне
метровых волн применяются преимущественно настроенные антенны. Будем считать,
что антенна настроенная и имеет сопротивление .
По заданию, чувствительность приемника должна быть не хуже .  Пусть антенна соединяется со
входной цепью коаксиальным кабелем РК-103 длиной 10 метров с коэффициентом
затухания . Тогда коэффициент передачи мощности
фидера

Шумовая температура антенны может
быть найдена по графику [2, стр.13, рис.1.4]: . Тогда относительная шумовая
температура , где –
стандартная температура.  Входное отношение сигнал/шум может быть найдено из
заданного выходного ():

Поскольку получившееся число
меньше порогового отношения для ЧМ, равного 2, то принимаем .

Допустимый коэффициент шума

В качестве смесителя выберем специализированную ИС
К174ПС1. Ее коэффициент шума – 8 дБ, или .
В качестве активного элемента УРЧ возьмем транзистор КТ372В, включенный по
схеме с ОЭ. Рассчитаем параметры этого транзистора. Из [4] данные
по транзистору:

; ;
;;;

,

где  –
параметр для мезапланарного транзистора [   ].

Поскольку наименьший коэффициент
усиления у транзистора – на максимальной частоте, для расчета примем за рабочую
максимальную частоту диапазона: . Частота , на которой модуль коэффициента
усиления падает в  раз, определяется через
параметры транзистора следующим образом:

Необходимые в дальнейших расчетах соотношения между
граничными частотами транзистора и его рабочей частотой: , .

Примем коэффициент устойчивости . Устойчивый коэффициент усиления

Минимальный коэфициент шума
транзистора . Минимальный коэффициент шума
первого каскада в схеме с ОЭ . Коэффициент
шума первого каскада должен быть не больше, чем

Условие выполняется,
следовательно, транзисторный УРЧ на КТ372В по схеме с ОЭ может быть первым
каскадом приемника.

2.4 Расчет Y-параметров
микросхемы

Чтобы рассчитать колебательный контур-нагрузку и
коэффициент усиления смесителя, необходимо узнать Y-параметры
его активного элемента. Будем считать, что интегральные транзисторы соответствуют
по своим параметрам бескорпусному транзистору КТ324Е-1.

; ;
;

,

где ,
поскольку транзистор мезапланарный.

Поскольку нас интересует
разностная частота, то в качестве рабочей выбираем промежуточную частоту.

, .

Окончательно расчетные параметры
транзистора

Рассчитаем коэффициент усиления
смесителя. Крутизна преобразования  Примем
эквивалентную емкость , а эквивалентную
добротность .

2.5 Распределение усиления по каскадам

Поскольку антенна настроенная, применим трансформаторную
связь контура с антенной, перестройка контура емкостью. Рассчитаем минимальный
коэффициент усиления.

Рассчитаем коэффициент передачи входной цепи на трех
частотах диапазона:

Устойчивый коэффициент усиления
УРЧ

Коэффициент перекрытия диапазона (см. 2.1). Рассчитаем коэффициент
усиления УРЧ на трех частотах диапазона:

Тогда общий коэффициент передачи
первого каскада составит

За коэффициент передачи принимаем
наименьший из трех, то есть

Для устранения паразитной амплитудной модуляции в схеме
применяется ограничитель с пороговым напряжением .
Уровень его входного сигнала, а значит, и уровень выходного сигнала УПЧ, может
быть рассчитан как

Тогда коэффициент усиления УПЧ не
должен быть меньше, чем

Используя приведенные ниже расчеты, можно увидеть, что на
выбранной элементной базе такой коэффициент усиления осуществим с помощью трех каскадов
УПЧ. Таким образом, структурная схема приемника имеет следующий вид:

3. Расчет УПЧ

3.1 Выбор и расчет параметров транзистора

По частотным свойствам и мощности подходит транзистор
КТ610А. Справочные параметры транзистора [  ]: