CC BY
110
УДК: 681 ББК: 32.84я73
Скобелева С.Н.
ПУТИ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМНЫХ ВОПРОСОВ РАДИОПРИЁМА В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ С УГЛОВОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ
Skobeleva S.N.
WAYS OF THE DECISION OF PROBLEM QUESTIONS OF RADIO RECEPTION IN CONTROL SYSTEMS WITH ANGLE MODULATION
Ключевые слова: системы управления с угловой модуляцией, супергетеродинный способ, гетеродинный приём, эффективность использования частотного диапазона, электромагнитная совместимость, качество приема и воспроизведения информации.
Keywords: control systems with angle modulation, superheterodyne method, heterodyning reception, the effectiveness of the use of the frequency range, electromagnetic compatibility, the quality of the reception and reproduction of information.
Аннотация: в статье исследуются проблемные вопросы радиоприёма в системах управления с угловой модуляцией: электромагнитная совместимость различных диапазонов; эффективное использование частотных диапазонов; предлагаются пути решения проблемных вопросов.
Abstract: the article deals with the problem questions of the radio in control systems with angle modulation, the electromagnetic compatibility of different ranges; the efficient use offrequency bands; suggests ways of solving problem issues.
Как показано в [1], в настоящее время в теории и практике радиоприема возникли следующие проблемы, обусловленные интенсивным заполнением частотного диапазона, возросшими требованиями к качеству принимаемой информации, необходимостью перехода к интегральной технологии в производстве радиоприемных устройств:
- электромагнитная совместимость различных частотных диапазонов;
- неэффективность использования частотных диапазонов, особенно при применении угловой модуляции;
- качество приема на границах зон обслуживания в диапазоне FM.
Частичное решение вопроса повышения эффективности использования частотных диапазонов возможно путем:
-реализации тракта промежуточной частоты в виде следящего фильтра;
-введения отрицательной обратной связи по частоте.
Однако, как показали результаты проведенных в работе [2] теоретических исследований, реализация следящего фильтра практически не дает ожидаемого результата, а реализация отрицательной обратной связи по частоте ведет к невозможности практической реализации стереофонического тракта приема с приемлемым качеством.
Решение вопроса электромагнитной совместимости диапазона FM с диапазонами ТВ путем перехода на низкую (~ 100 кГц) промежуточную частоту ставит вопрос повышения эффективности использования диапазона FM в ряд неразрешимых, поскольку опирается на существующий разнос частот между соседними радиовещательными станциями в пределах 400... 500 кГц.
Как показано в [2], в рамках супергетеродинного способа приема и обработки сигналов совместное положительное решение этих проблем не представляется возможным, поскольку они порождены необходимостью осуществления селекции сигнала на радио - и промежуточной частоте. Чтобы решить эти вопросы совместно, необходимо производить селекцию сигнала на тех частотах, где его спектр имеет минимальную ширину, т.е. на звуковых частотах. Кроме этого, необходимо устранить зависимость полосы пропускания приемного тракта от вида фазочастотной характеристики частотно-избирательных цепей, которая является решающей в выборе полосы пропускания тракта ПЧ при приеме ЧМ сигналов. Таким образом, новый способ приема и обработки сигналов должен при сохранении чувствительности супергетеродинного тракта осуществлять селекцию принимаемого сигнала на звуковых частотах. Это позволит реализовать минимальную полосу пропускания приемного тракта, следовательно, обеспечить некоторый прогресс в вопросах и повысить эффективность использования радиочастотного диапазона и качество принимаемой информации на границах смежных зон обслуживания; избавиться от большого числа катушек индуктивности в приемном тракте, а, следовательно, расчистить путь к внедрению интегральной технологии в производстве радиоприемных устройств.
Очевидно, что предельные возможности приемного устройства реализуются в случае его синтеза по результатам теории оптимального радиоприема. Результаты статистического структурного синтеза оптимальных радиоприемных устройств показывают [2], что в приемном тракте необходимо осуществлять когерентную обработку сигнала, для чего необходимо иметь опорный сигнал, совпадающий с точной копией полезного сигнала, содержащегося во входной смеси. При этом вместо классического детектора используется синхронный детектор (преобразователь частоты), обладающий уникальными качествами. Подчеркнём одно из них, для чего произведём сравнительный анализ характеристик классического амплитудного детектора и синхронного детектора.
В когерентном приемнике (рисунок 2) на входе синхронного детектора (перемножителя) информационного канала отношение средней мощности АМ-сигнала к мощности шума определяется соотношением:
(Рс ) вх А0 (l + тл&л )
(1)
где:
___ 2 Т
(рс) = — Г и2 (t)dt; <з\ - дисперсия случайного сообщения ^(t);
вх Т о
N0 - спектральная плотность шума, которая считается симметричной относительно частоты шо; AFx - полоса информационного сообщения.
На выходе синхронного детектора, полагая его коэффициент преобразования Кфд =1, имеем:
исд (t) = k it, А) + ищ (f )Jw Г it) = |Л (l + mA^t )c°s(Pot + Фс) + и щ (t)cos(®0t + Фщ )Jx и Г cos(rn0t + фс) (2)
Высокочастотные составляющие напряжения иСд далее отфильтровываются, поэтому низкочастотное напряжение имеет вид:
(«Д )нч = 4,(1 + mf'} ' Ur + U-‘ (02 ' UГ COS(ft.-ft, ). (3)
Первый член - полезный сигнал, второй - шум. Определим из (3) отношение средней мощности сигнала к шуму на выходе синхронного детектора (СД).
Средняя мощность сигнала на выходе синхронного детектора определяется выражением:
Pc L = А (l + mAa>/2/4.
Дисперсия шума рассчитывается по формуле:
(О= иши2г соф-4>ш)/8 = иГNЩ /4.
Этот результат справедлив независимо от того, является ли фаза сигнала случайной ф(1) или детерминированной фо величиной, так как разность фаз (фс — фш) всегда случайная и
среднее от cos2 (фс - фш ) = 2 .
Отношение сигнал/шум на выходе синхронного детектора равно:
/ \ _ (Pc) вых _ Ао(— + mA ' аЛ) (4)
(Чвых)СД = ( 2ч = Аг АР • (4)
(аш ) вых N0AFЛ
Сравнивая q^ (4) с qвX (1), замечаем, что:
(Явых )СД = 2^х (5)
т.е. на выходе синхронного детектора отношение сигнал/шум линейно зависит от такого же отношения на входе.
Это свойство синхронных детекторов является решающим для помехоустойчивости.
В некогерентном приемнике (см. рисунок 1) отношение сигнал/шум на входе амплитудного детектора (АД) определяется по-прежнему формулой (1). Считая характеристику амплитудного детектора квадратичной (ивых=Кди2вх), получим:
^(t)=\U;(t, Л)+ИшО)] .
С учетом последующей фильтрации высокочастотных составляющих можно записать:
*2,л , „ ч \2 „.2
(иАД )нч = Ао(1 + ™А^ ) + + А0 (1 + ша Я1 )иш Ц) соз[фс (Ґ) - фш (Ґ)]
Средняя мощность сигнала на выходе АД равна:
(Р) = А0 (і+т>1) 2/4 ■
Дисперсия шума на выходе квадратичного детектора равна:
(*Ш.)= (N0 А^ )2 +1 А2 (1 + тАа22 )N0 А^ ■
Отношение сигнал/шум на выходе АД определяется выражением:
(Я вых ) ЛД
( Рс ) і
Л0 (і + тЛаЯ)2
(6)
(аШ ) ВЫХ
4Н о2 ЛК2
і+
Л0 (і + т2 а2
2 N о ЛЕя
или с учетом значения qвх (1):
(Чвых ) ЛД = явх /(1 + Явх ) • (7)
Используя значения qвых (5) для синхронного и (7) для амплитудного детекторов, можно
оценить выигрыш когерентного приема по сравнению с некогерентным:
(Явых)СД/ (^вых)ДД_2(1/ ^вх +1), (8)
откуда следует, что при qвх»1 выигрыш стремится к двум, а более существенный выиг-
рыш получается при qвх«1.
К сожалению, реализация даже оптимального приемного тракта на базе супергетеродинного способа не решает проблем, вставших перед теорией и практикой радиоприема в настоящее время. Действительно, дополнительные каналы приема остаются, а, следовательно, остается неразрешенной проблема электромагнитной совместимости; селекция осуществляется на радио и промежуточной частоте, а, следовательно, остаются неразрешенными и три другие проблемы (неэффективное использование диапазона, качество приема на границе смежных районов, интегральная технология для радиоприемных устройств выше третьей группы сложности).
Теперь попытаемся реализовать оптимальный приемный тракт, не привязываясь к супергетеродинному способу. Сначала применим чисто эвристический метод, не вдаваясь в строгие математические доказательства. Для этого за основу возьмём структурную схему супергетеродинного приёмного тракта, изображенную на рисунке 1.
п п
= ео 2Д ± 2ео
і=0 і=0
Рисунок 1 - Структурная схема супергетеродинного приёмного тракта
Полагая, что сигнал гетеродина юг является точной копией сигнала принимаемой станции Юо (ег = е0), т.е. реализуя синхронный (когерентный прием), и учитывая, что спектр полезного сигнала при амплитудной модуляции описывается выражением:
п
ео ±ЁД
і=0
где Ді - частотные составляющие спектра модулирующей функции, на выходе смесителя получим сигнал со спектром частот:
п п п
®о ± Е Д ±аг = ®о ± Е Д ±ав = ЕД ±2®о ■
і=0 і=0 і=0
То есть при синхронном приеме на выходе смесителя имеется в чистом виде модулирующая функция (звуковые частоты) и удвоенная частота гетеродина (несущей принимаемой станции). Очевидно, что последняя легко фильтруется ФНЧ в виде RC - цепи, а схема синхронного приемного устройства принимает вид, показанный на рисунке 2, где КГ - когерентный гетеродин.
Из сравнения структурных схем, приведенных на рисунках 1 и 2, следует, что структурная схема приемника, реализованная на рисунке 2, значительно проще: отсутствует тракт промежуточной частоты и детектор. Кроме этого, отсутствует зеркальный канал приема, а дополнительные каналы приема, вызванные гармониками гетеродина, отфильтровываются однозвенными фильтрами низких частот. Это обстоятельство позволяет существенно упростить входные цепи, сделав их широкополосными, неперестраиваемыми по диапазону, а УРЧ - апериодическим.
Итак, формальный поиск возможной структуры реализации оптимального (синхронного) приемного тракта привел нас к новому, существенно отличающемуся от супергетеродинного, способу приема и обработки сигналов, удовлетворяющему всем приведенным выше требованиям.
Как видно из рисунка 2, это гетеродинный способ приема и обработки сигналов или способ прямого преобразования. В [1,3] показано, что он обладает чувствительностью не хуже чувствительности супергетеродинного способа; не имеет дополнительных каналов приема; обладает высокой избирательностью, обусловленной избирательными свойствами синхронного детектора, фильтра нижних частот и природными свойствами человеческого слуха.
п п
ас =ао ±ЕДі ЕД ±2юо
і=0 і=0
Рисунок 2 - Структурная схема синхронного приемника
Разработанным требованиям удовлетворяют только синхронные гетеродинные приемные тракты. В дальнейшем изложении слово «синхронный» будем опускать, подразумевая, что речь идет именно о синхронных гетеродинных трактах.
Гетеродинные способы приема и обработки сигналов можно разделить на две большие группы [4]:
- несинхронные (некогерентные);
- синхронные (когерентные).
Несинхронные приемные тракты не относятся к классу оптимальных устройств и, как будет показано ниже, практически непригодны для широкого использования в радиовещании.
Синхронные можно отнести к классу оптимальных радиоприемных устройств. Они могут найти широкое применение в радиовещании, телевидении, связи и т.д.
В синхронном гетеродинном тракте частота гетеродина синхронизируется с частотой сигнала (т.е. выполняется условие £; = £), что можно реализовать двумя способами:
- методом прямого захвата частоты [5,6];
- методом фазовой автоподстройки частоты [7].
Для первого случая структурная схема синхронного гетеродинного приемника изображена на рисунке 3, где введены следующие обозначения: Z1 - входная цепь; Ат - аттенюатор; и -преобразователь частоты; Z2 - фильтр нижних частот; А} - усилитель звуковой частоты; ЦС -
цепь синхронизации; О} - гетеродин. Метод прямого захвата базируется на эффекте захвата
частоты гетеродина частотой мешающего воздействия.
Рисунок 3 - Метод прямого захвата частоты
В настоящее время метод прямого захвата используется радиолюбителями для создания простых, экономичных гетеродинных приемников невысокого класса [8.. .10].
Для второго случая структурная схема синхронного гетеродинного приемника изображена на рисунке 4, где введены следующие обозначения:
’^(р) = КУРЧ - передаточная функция УРЧ;
^фд(р) - передаточная функция фазового детектора;
’У (р) = Ку - передаточная функция УПТ;
’ф1(р) - передаточная функция фильтра нижних частот (корректирующего звена) системы ФАПЧ;
’ГУН(р) - передаточная функция ГУН;
’ф(р) - передаточная функция фильтра нижних частот тракта звуковой частоты;
’К(р) - передаточная функция звена коррекции предыскажений;
’УЗЧ(р) - передаточная функция усилителя звуковой частоты.
На основе системы ФАПЧ могут реализовываться гетеродинные приёмные тракты любой группы сложности.
Рисунок 4 - Структурная схема гетеродинного приемного тракта, реализованного на основе системы ФАПЧ
Из изложенного выше можно сделать следующие выводы:
1. Поиск совместного решения поставленных вопросов в классе оптимальных радиоприемных устройств показывает, что:
- в оптимальном приемном устройстве должна производиться синхронная (когерентная) обработка принимаемого сигнала;
- реализация оптимального приемного тракта на базе супергетеродинного способа приема и обработки сигналов лишена смысла, поскольку ведет к неоправданному аппаратурному усложнению приемного тракта с сохранением недостатков супергетеродина (наличие дополнительных каналов приема, необходимость селекции на радио и промежуточной частотах), обусловивших стоящие в настоящее время перед теорией и практикой радиоприема вопросы;
- гетеродинный способ приема и обработки сигналов (способ прямого преобразования) естественным образом вытекает из результатов теории статистического структурного синтеза оптимальных приемных устройств, не имеет зеркального и прямого каналов приема и подразумевает осуществление селекции принимаемого сигнала на звуковых частотах.
2. Чувствительность гетеродинного способа приема и обработки сигналов не хуже супергетеродинного способа. В этом можно легко убедиться, сравнив структурные схемы гетеродинного приемного тракта (см. рисунок 2) и супергетеродинного (см. рисунок 1). Как видно из этого сравнения, оба способа имеют одни и те же элементы (ВЦ, УРЧ, преобразователь частоты), определяющие коэффициент шума тракта, следовательно, нет никаких оснований сомневаться в их различной чувствительности. Справедливости ради следует отметить, что в силу того, что отсутствие дополнительных каналов приема в гетеродинном способе дает возможность существенно упростить входные цепи при этом способе. Поэтому коэффициент шума гетеродинного приемного тракта должен быть несколько меньше. Следовательно, можно предположить, что чувствительность гетеродинного способа должна быть несколько больше, чем у супергетеродинного.
3. Отсутствие дополнительных каналов приема в гетеродинном приемнике снимает проблему электромагнитной совместимости радиочастотных диапазонов.
4. Прямой перенос спектра радиосигнала в область звуковых частот исключает необходимость наличия в приемнике тракта промежуточной частоты и детектора.
5. Возможность селекции принимаемого сигнала на звуковых частотах и отсутствие дополнительных каналов приема практически исключает присутствие в приемном тракте катушек индуктивности, а, следовательно, снимаются ограничения на переход к интегральной технологии в производстве радиоприемных устройств выше третьей группы сложности.
6. Осуществление селекции принимаемого сигнала на звуковых частотах дает возможность более чем в 2 раза уменьшить полосу пропускания приемного тракта, особенно при ис-
пользовании угловой модуляции, а, следовательно, повысить эффективность использования диапазона БЫ и качества приема на границах смежных обслуживаемых районов.
7. Помехозащищенность гетеродинного способа приема и обработки сигналов при использовании двойных балансных смесителей (идеальных перемножителей) существенно выше помехозащищенности супергетеродинного. Это объясняется следующими обстоятельствами. Во-первых, при использовании двойного балансного смесителя преобразователь частоты обладает почти идеальными селективными свойствами относительно принимаемого сигнала. Во-вторых, как следует из формулы (8), выигрыш в помехозащищенности когерентного приема по сравнению с некогерентным стремительно возрастает при уменьшении отношения сигнал/шум на входе приемного тракта, т.е. с усложнением помеховой обстановки или с уменьшением амплитуды принимаемого сигнала.
8. Результаты исследований могут быть полезны разработчикам систем управления с использованием радиоканалов с угловой модуляцией.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Абрамов, Г.Н. Радиоприёмные устройства ультракоротковолнового диапазона: проблемы и пути их решения [Текст] / Г.Н. Абрамов, Н.М. Шевченко, С.Н. Скобелева. - Ульяновск: УлГТУ, 2004. - 175 с.
2. Скобелева, С.Н. Исследование возможности повышения качественных характеристик радиоприёмных устройств ультракоротковолнового диапазона (на примере Самарской области): Дис. ... на соискание ученой степени к.т.н. [Текст].- Тольятти: ТГАС, 2001. - 183 с.
3. Момот, Е.Г. Проблемы и техника синхронного радиоприема [Текст]. - М.: Государственное издательство литературы по вопросам связи и радио, 1961. - 172 с.
4. Поляков, В.Т. Приемники прямого преобразования для любительской связи [Текст]. -М.: ДОСААФ, 1981.
5. Руднев, А. Повышение чувствительности радиоприемника с синхронным детектором [Текст] // Радио. - 1991. - №12. - с. 64-65.
6. Сергеев, А. Синхронный гетеродинный радиоприемник [Текст] // Радио. - 1997. - №8. -С. 18-20.
7. Поляков, В.Т. Радиовещательные ЧМ приемники с фазовой автоподстройкой [Текст]. -М.: Радио и связь, 1983, (МРБ, вып 1063).
8. Поляков В.Т. Автодинный синхронный приемник [Текст] // Радио. - 1994. - №3. - С. 10-13.
9. Руднев, А. Средневолновый приемник с синхронным детектором // Радио. - 1991. - №2.
- С. 56-57.
10. Поляков, В.Т. Радиолюбителям о технике прямого преобразования [Текст]. - М.: Патриот, 1990. - 262 с.
