Приемник прямого усиления

Мы определили что, для увеличения чувствительности детекторного приемника можно применить принцип прямого преобразования частоты. Однако в этом случае часть выходного колебания (компоненту спектра с удвоенной частотой сигнала) приходится подавлять. Это означает, что мощность полезного сигнала на выходе умножителя (смесителя) будет в два раза меньше мощности сигнала на входе. Иными словами, коэффициент передачи смесителя не может превышать –3 дБ. В реальных схемах ситуация хуже за счет потерь в элементах умножителя. Активный умножитель (умножитель с усилением) ситуацию в корне не меняет, так как он усиливает не только сигнал, но и шум, а значит, коэффициент шума будет в лучшем случае останется точно таким же.

Для увеличения чувствительности радиоприемника (уменьшения коэффициента шума приемника) между входом синхронного детектора и выходом входного устройства приемника размещают малошумящий усилитель высокой частоты (УВЧ). Его коэффициент усиления рассчитывается по следующей формуле:

где U_дет — напряжение на входе синхронного (квадратурного) детектора;
         U_а — напряжение на выходе антенны;
K_{вх. устр.} — коэффициент передачи входного устройства.

Структурная схема приемника прямого усиления с квадратурным детектором, способным принимать сигнал с любым видом модуляции, приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема радиоприемника прямого усиления

Применение усилителя высокой частоты позволяет поднять чувствительность приемника до нескольких десятков микровольт. Однако одновременно именно этот усилительный каскад в основном будет определять уровень интермодуляционных искажений. Здесь следует заметить, что схема, приведенная на рисунке 1, может быть определена и как схема прямого усиления, и как схема прямого преобразования. Все зависит от того, какой каскад будет определять избирательность по соседнему каналу и где будет сосредоточено основное усиление.

Если в схеме, приведенной на рисунке 1, основное усиление определяется усилителем низкой частоты, а избирательность по соседнему каналу обеспечивается ФНЧ на выходе квадратурного детектора, то эту схему рассматривают как приемник прямого преобразования. Выбор частотных параметров блоков схемы иллюстрируется рисунком 2.

Рисунок 2. Требования к характеристикам фильтров приемника прямого преобразования

Если же основная избирательность радиоприемника по соседнему каналу и его основное усиление, сосредоточено до квадратурного детектора, то ее рассматривают как приемник прямого усиления. В этом случае частотные параметры схемы радиоприемника выбираются в соответствии с рисунком 3.

Рисунок 3. Требования к характеристикам фильтров приемника прямого усиления

Так как в этом случае все параметры приемника определяются входным устройством и практически не зависят от параметров квадратурного детектора, то схему приемника прямого усиления можно представить в виде, показанном на рисунке 4.

Рисунок 4. Структурная схема приемника прямого усиления

Требования к фильтру низкой частоты квадратурного детектора в данной схеме значительно снижаются по сравнению со схемой прямого преобразования. Здесь фильтр низкой частоты должен подавить составляющие удвоенной частоты принимаемого радиосигнала и не исказить полезный сигнал.

В наихудшем случае расстройку частоты можно определить следующим образом:

и в этом случае расчет фильтра низкой частоты (ФНЧ) выполняется точно так же, как мы рассматривали в главе посвященной приемнику прямого преобразования.

Частотные параметры радиотракта приемника прямого усиления определяются рисунком 5. На этом рисунке показан спектр рабочего канала и спектры двух соседних радиоканалов. Полосовой фильтр входного устройства приемника прямого усиления не должен искажать полезный сигнал и при этом подавлять спектр соседних каналов.

Рисунок 5. Частотные параметры радиотракта приемника прямого усиления

Известно, что расчет полосового фильтра ведется через расчет ФНЧ фильтра-прототипа, который рассчитывается точно также как и в случае приемника прямого преобразования. Воспользовавшись этими результатами можно определить, что потребуется полосовой фильтр не менее седьмого порядка.

Теперь определим, до какой частоты можно будет применять схему прямого усиления. Известно, что конструктивную добротность контура трудно получить больше 200. Учитывая, что у фильтра Баттерворта добротность контура с наибольшей добротностью отличается от добротности контура с наименьшей добротностью в пять раз, то для определения максимальной частоты воспользуемся добротностью:

Добротность контура определяется по следующей формуле:

Тогда максимальная рабочая частота для системы связи, использующих сигналы с полосой 9 кГц, может быть определена из следующего выражения:

Это означает, что область применения приемников прямого усиления ограничивается длинноволновым диапазоном. Радиолюбители применяют приемники прямого усиления и в средневолновом диапазоне, но это достигается за счет уменьшения подавления соседнего канала. Для систем профессиональной связи это неприемлемо.

Коэффициент усиления усилителя радиочастоты в схеме прямого усиления ограничивается внеполосными помехами, которые могут попасть на его вход и вызвать перегрузку. Приемники, собранные по схеме прямого усиления обычно разрабатываются на прием одной определенной частоты. Это обусловлено сложностью разработки перестраиваемого полосового фильтра. Принимаемая приемником прямого усиления частота определяется частотой настройки фильтра входного устройства. Учитывая, что данная схема применяется в основном в системах дистанционного управления, а они работают в СВЧ диапазоне, то в качестве частотно-избирательных цепей входного устройства обычно применяются фильтры на поверхностных акустических волнах.

1. "Проектирование радиоприемных устройств" под ред. А.П. Сиверса - М.: "Высшая школа" 1976
2. "Радиоприемные устройства" под ред. Жуковского - М.: "Сов. радио" 1989
3. Палшков В.В. "Радиоприемные устройства" - М.: "Радио и связь" 1984

Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре "Сигнал", Научно производственной фирме "Булат". В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи "Сигнал-201", авиационной системы передачи данных "Орлан-СТД", отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

А.В.Микушин является автором 130 научных и научно-методических работ, в том числе 21 монография и 26 учебников и учебных пособий.