Система управления использованием радиочастотного спектра, цели и задачи радиоконтроля в этой системе

Работа  преобразователя частоты в значительной степени определяет показатели супергетеродинного РПУ. В первую очередь преобразователь влияет на такой показатель приемника, как диапазон частот. Перекрытие заданного диапазона частот зависит от работы гетеродина, который должен обеспечить устойчивую генерацию на всем диапазоне принимаемых частот. Амплитуда напряжения гетеродина в пределах диапазона должна сохраняться относительно постоянной, так как она определяет параметры преобразования и, следовательно, постоянство коэффициента передачи преобразователя по диапазону.

Значение  ПЧ сильно влияет на работу супергетеродинного РПУ и сказывается на его чувствительности, избирательности и полосе пропускания. Высокая избирательность по соседнему  каналу обеспечивается при низкой ПЧ. Хорошая избирательность по зеркальному каналу обеспечивается при высокой ПЧ. Удовлетворить требования высокой избирательности одновременно по обоим каналам затруднительно, поэтому выбор ПЧ представляет инженерный компромисс. В частности, в профессиональных приемниках применяют несколько преобразований  частоты.

Первая  ПЧ имеет высокое значение, что  обеспечивает избирательность по зеркальному  каналу. Последняя ПЧ, для обеспечения избирательности по соседнему каналу, обычно имеет низкое значение. При выборе значений ПЧ следует учитывать, что она не должна находиться в полосе принимаемых сигналов. Из этого следует, что значение первой ПЧ должно меняться в зависимости от частоты принимаемого сигнала. Кроме того, следят, чтобы в полосу ПЧ не попадали гармоники гетеродинов.

В ряде случаев  достаточно иметь двойное преобразование частоты (рис. 5.4). В таком супергетеродинном РПУ имеются два преобразователя частоты и два усилителя промежуточной частоты. Для обеспечения высокой избирательности по зеркальному каналу первая ПЧ выбирается достаточно большой; высокая избирательность по соседнему каналу, а также узкая полоса пропускания обеспечиваются при достаточно низкой  второй ПЧ.

Недостатком супергетеродинного приема является появление побочных каналов  приема: некоторые сигналы могут  поступать в приемник через антенную цепь и вызывать появление выходного  сигнала даже при отсутствии полезного  сигнала на частоте настройки. Побочный канал приема — полоса частот, находящаяся  за пределами основного канала приема, в которой радиопомеха вызывает появление отклика, обусловленного ее прохождением на вход устройства демодуляции  или детектирования.

 

Рис. 5.4. Структурная схема линейного тракта супергетеродина с двойным преобразованием.

К побочным каналам приема относятся каналы, включающие промежуточные частоты, зеркальные частоты, комбинационные частоты  и частоты, которые в целое  число раз меньше частоты настройки  радиоприемного устройства, а также  промежуточных и зеркальных частот.

 

5.3 Основные характеристики радиоприемных устройств

Наиболее  важными характеристиками, определяющими  эффективность использования радиоприемных  устройств в системах радиомониторинга,   являются:

•  диапазон рабочих частот;

•  амплитудно-частотная  характеристика (АЧХ);

•  неравномерность  коэффициента передачи в рабочем  диапазоне;

•  коэффициент  стоячей волны по напряжению для  входа приемника;

•  избирательность  по побочным каналам приема;

•  избирательность  по соседним каналам приема;

• коэффициент шума и предельная чувствительность радиоприемного устройства;

•  чувствительность радиоприемного устройства по выходу демодулятора;

•  динамический диапазон и точки пересечения по интермодуляции второго и третьего порядка;

•  порог  появления эффекта блокирования;

•  величина перекрестных искажений;

•  фазовые  шумы, стабильность и скорость настройки  синтезатора;

•  масса  и габаритные размеры;

•  сложность  в производстве и эксплуатации, стоимость.

Диапазон  рабочих частот радиоприемника —  это диапазон возможных частот настройки, в границах которого обеспечиваются его основные характеристики.

При плавной перестройке диапазон задают предельными частотами f_0min - f_0max Относительный диапазон характеризуют коэффициентом перекрытия

 

К_п = f_0max / f_0min

 

Измерительные радиоприемники, анализаторы спектра, селективные микровольтметры отличаются большими коэффициентами перекрытия.

Амплитудно-частотная  характеристика линейного тракта приема — это зависимость сквозного коэффициента передачи при фиксированной частоте настройки РПУ. Пример АЧХ показан на рис. 5.5. Количественно АЧХ оценивается четырьмя параметрами: избирательностью 1/k_Δf, при заданной расстройке Δf, полосой П₁ при заданной неравномерности S_п1, коэффициентом прямоугольности П₂/П₁ при заданных уровнях ослабления S_п1/S_п2. неравномерностью АЧХ в полосе прозрачности  S_п1.

      

Рис. 5.5. Оценка неравномерности АЧХ линейного тракта приема

На практике коэффициент передачи тракта РПУ  меняется в зависимости от частоты. Пример подобной зависимости показан на рис. 5.6. Обычно в пределах одного поддиапазона неравномерность коэффициента передачи меняется плавно, а местах стыков поддиапазонов наблюдаются разрывы сквозной АЧХ, что связано с коммутацией трактов приемника при перестройке, например, с последней частоты предыдущего поддиапазона на первую частоту следующего поддиапазона.

Неравномерность коэффициента передачи S_k оценивают по максимальному относительному отклонению коэффициента передачи k_max от его среднего значения k₀:

S_k=201g[(k_max - k₀)/k₀].        (5.2)

При использовании  РПУ для измерения уровней  сигналов неравномерность АЧХ определяет более жесткую (метрологическую) характеристику — предел допускаемой относительной  погрешности измерения уровней: максимальное относительное отклонение измеренной величины от ее действительного  значения,

Рис. 5.6. Амплитудно-частотная характеристика тракта РПУ: f_i — нижняя частота рабочего диапазона; f_k — верхняя частота рабочего диапазона.

Коэффициент стоячей волны  по напряжению.

Если  входной импеданс {комплексное сопротивление) приемника отличается от сопротивления  кабеля антенной системы, то не вся  мощность, передаваемая по кабелю, будет  поступать в приемник. Часть мощности сигнала будет отражаться обратно. Отраженный сигнал будет складываться с падающим, когда фазы их совпадают, и вычитаться, когда он будет находиться в противофазе. В результате в подводящем кабеле появится ряд максимумов и минимумов напряжения на интервалах, равных половине длины волны. Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) — это отношение максимума напряжения к его минимуму:

                               (5.3)

 

Поскольку U_max=U_пад + U_отр, a U_min= U_пад - U_отр, где U_пад — напряжение падающего сигнала, U_orp —напряжение отраженного сигнала, выражение (5.3) можно переписать следующим образом;

…………(5.4)

 

где г = U_отр / U_пад – отношение напряжений отраженного и падающего сигналов.

Поскольку отношение мощностей отраженного  Р_отр и падающего Р_пад сигналов

      (5.5)

 

КСВН  можно записать в следующем виде:

                                            (5.6)

 

На рис. 5.7 представлена зависимость КСВН от отношения мощности отраженной волны к мощности падающей волны. Если входное сопротивление приемника чисто активно и равно волновому сопротивлению входного кабеля, то КСВН S = 1 и отраженная мощность отсутствует.    Если входное сопротивление не  равно волновому сопротивлению кабеля, то КСВН становится больше единицы. Если отраженная мощность равняется 10 % падающей мощности, то КСВН S ≈ 2, если отраженная мощность составляет 25 % падающей, то КСВН S ≈ 3. На практике для входных устройств радиоприемных устройств допустимым считается КСВН S < 3.

 

Рис. 5.7. Зависимость КСВН от отношения мощности отраженной волны к мощности прямой волны

В англоязычной технической литературе для обозначения  КСВН используется сокращение VSWR (Voltage Standing Wave Ratio).

 

Основной канал и  побочные каналы приема.

Полоса  частот, в которой находится спектр принимаемого сигнала, образует основной канал приема. Частотные полосы, которые примыкают к основному  каналу и могут быть заняты спектрами  посторонних сигналов, образуют соседние каналы приема.

Образование побочных каналов приема объясняется  преобразованием частот в супергетеродинных  приемниках. Процесс преобразования частоты состоит в трансформации напряжения высокой частоты сигнала на частоте настройки f₀ в напряжение другой ПЧ f_пч без изменения вида и характера модуляции. При преобразовании частота может как понижаться (f_пч < f₀), так и повышаться (f_пч > f₀).

Преобразователь частоты обычно состоит из местного гетеродина — маломощного генератора, генерирующего колебания частоты fг, и смесителя — элемента, в котором смешиваются колебания исходного сигнала и сигнала гетеродина и выделяется одна из комбинационных частот, например, с понижением частоты (рис. 5.8):

                    (5.7)

Эта комбинационная частота и является промежуточной  частотой. Таким образом, в преобразователе  частоты происходит изменение несущей  частоты сигнала без искажения содержащейся в сигнале информации.

Рис. 5.8. Смещение частоты принимаемого сигнала

Рис. 5.9. Образование зеркального канала

 

Смеситель частот создает спектр комбинационных частот при подаче на нее двух или  более сигналов разной частоты. В  нем происходит перенос спектра сигнала в область ПЧ без нарушения амплитудных и фазовых соотношений составляющих. Однако так же можно принять радиоизлучение и выше частоты гетеродина:

                (5.8)

 

Таким образом, полезному каналу с приемом сигнала  на частоте fс соответствует паразитный канал с приемом на зеркальной частоте  fзк:

                  (5.9)

 

Все внутренние параметры преобразователей частоты  для зеркального канала и канала на частоте сигнала совершенно одинаковы. Поэтому зеркальный канал является одним из наиболее опасных паразитных каналов приема (рис. 5.9).

При использовании  суммарной частоты  частота зеркального  канала

                                (5.10)

Другим  побочным каналом, который называют каналом прямого прохождения, является канал, частота которого равна промежуточной (рис. 5.10). Если на вход преобразователя частоты поступает сигнал, частота которого равна промежуточной, то происходит прямое прохождение этого сигнала без преобразования частоты, но с усилением в преобразователе частоты и в каскадах тракта промежуточной частоты.

Следует отметить, что частота канала прямого  прохождения постоянна и равна  промежуточной частоте, в то время  как частота зеркального канала каждый раз меняется при перестройке  приемника. Канал прямого прохождения, не связанный с преобразованием  частот, является столь же опасным, как и зеркальный канал. Однако при оценке опасности указанных паразитных каналов следует учитывать, что канал прямого прохождения с выбранной fпч фиксирован, а зеркальный канал перемещается за каналом полезного сигнала. Поэтому вероятность прохождения помехи по зеркальному каналу выше, чем по каналу прямого прохождения,

Рис. 5.10. Образование канала прямого прохождения

Рис. 5.11. Образование комбинационного канала

 

Борьба  с побочными каналами приема возможна только в цепях до преобразователя  частоты — во входных цепях, цепях преселектора и усилителя высокой частоты. Для устранения помех станций, частота которых равна или близка к промежуточной частоте, на входе приемника (в тракте сигнальной частоты) часто включают специальные фильтры-пробки.

Побочными каналами являются также каналы, частоты  которых отличаются от гармоник гетеродина 2f_Г, 3f_Г.....kf_Г на величину f_пч:

                       (5.11)

где k — любое целое число.

Побочный  канал на комбинационных частотах fкк образуется в результате взаимодействия составляющих спектра преобразователя частоты с частотой гетеродина или его гармоник (рис. 5.11):

          (5.12)

где m, n - любые положительные и отрицательные целые числа.   Частота побочного комбинационного канала

          (5.13)

Интерференционный свист (на выходе демодулятора) или появление «двойников» принимаемого сигнала (на спектральной диаграмме) — вид искажений, связанных с происходящими в преобразователе нелинейными процессами. В выходной цепи преобразователя, кроме ПЧ, могут возникнуть комбинационные частоты, близкие к ПЧ. Так, если принимаемый сигнал расположен на частоте в k раз ниже частоты какого-либо  побочного канала: