Классификация радиошумов и искажения в каналах радиосвязи

Нелинейный радиотракт. Полезный сигнал часто принимается на фоне одной или нескольких значительных по уровню внеполосных помех. При этом возникает ряд нежелательных нелинейных эффектов (НЭ), снижающих помехоустойчивость приема.

Нелинейные эффекты при усилении сигнала в присутствии помехи. Рассмотрим простейший случай, когда на входе РПУ действуют два гармонических колебания,одно из которых — полезный сигнал, другое — помеха. Тогда

                                     (2)

Амплитуда входного тока с частотой  сигнала , на которую настроен резонансный контур усилителя,

                                (3)

Согласно (3), амплитуда тока  зависят от амплитуды напряжения помехи ; этот нелинейный эффект называется блокированием. Блокирование проявляется в том, что амплитуда напряжения сигнала на выходе приемника при <0 (что обычно имеет место) начинает уменьшаться при увеличении напряжения помехи на входе приемника; при этом приемник как бы блокируется помехой.

Наличие комбинационных составляющих в выходном токе определяет нелинейный эффект, называемый интермодуляцией. Из-за интермодуляции две помехи, частоты которых находятся вне полосы пропускания РПУ, могут создать составляющую с частотой, попадающей в результирующую полосу пропускания приемника. При амплитудно-модулированной помехе ток , согласно (3), изменяется по закону изменения ; полезный сигнал оказывается промодулированным сообщением, передаваемым мешающей станцией. Этот эффект называется перекрестной модуляциией, он определяется нелинейностью ВАХ третьей степени.

Способы повышения линейности радиотракта. Эти способы можно условно подразделить на две группы. К первой относятся способы, обеспечивающие уменьшение уровня мешающих сигналов на входе нелинейного усилителя с помощью высокоселективных фильтров; ко второй — способы, повышающие линейность самого усилителя. Для этого необходимо правильно выбирать режим работы транзистора, использовать в усилителе для улучшения его линейности мощные биполярные и полевые транзисторы, устанавливать оптимальные с точки зрения минимизации НЭ сопротивления источника сигнала и нагрузки, использовать компенсацию НЭ в многокаскадном усилителе.

Эффективным способом снижения НЭ является введение в усилитель цепи обратной связи (ОС). Предположим, что у усилителя без ОС K=1000; 1 мВ, а при введении в усилитель ОС . Поскольку , то коэффициент передачи по напряжению цепи ОС . При этом на входе усилительного элемента (УЭ) в усилителе с ОС амплитуда сигнала равна 0,01 мВ, т. е. происходит уменьшение напряжения на входе УЭ в 100 раз. Так как уровень НЭ второго и третьего порядков зависят от и ,то уровень НЭ второго порядка уменьшается в усилителе с ОС раз, а уровень НЭ третьего порядка — в раз.

Нелинейность усилителя на маломощных биполярных транзисторах зависит от нелинейности сопротивления перехода база - эмиттер. Так как напряжения в цепях базы и коллектора сдвинуты на относительно друг друга, то при включении одного или нескольких диодов в цепь коллектора достигается компенсация НЭ, особенно эффективная для уменьшения НЭ третьего порядка. Компенсация НЭ осуществляется в усилителях на полевых транзисторах с динамической нагрузкой.

Для уменьшения НЭ можно сформировать второй дополнительный, канал усиления, анализирующий и выделяющий искажения основного канала усиления с последующей компенсацией их на выходе основного усилителя. На рисунке 3 изображена структурная схема усилителя с подачей сигнала вперед. Сигнал с напряжением U подается на вход главного канала усиления (цепь А), из-за нелинейности которого входной сигнал искажается. Нелинейность главного канала можно учесть с помощью коэффициента d, который характеризует уровень составляющей выходного напряжения dU, обусловленный искажениями сигнала. Коэффициент передачи идеального усилителя обозначен через К. Выходной сигнал KU+dU ослабляется цепью С в К раз, после чего вычитается из входного сигнала в цепи вычитания ЦВ, при этом остаточное напряжение равно dU/K. Остаточное напряжение усиливается дополнительным усилителем цепи В в (K+d) раз, в результате на его выходе получается напряжение  . Далее это напряжение в цепи суммирования ЦС суммируется с напряжением на выходе главного канала; в результате напряжение на выходе усилителя с подачей сигнала вперед составляет, т. е. уровень искаженной составляющей равен . Таким образом, искажения сигнала увеличились в d/К раз.

Так как d<1, K>1, то d/k<<1.

При рассмотренном способе уменьшения НЭ компенсация искажений не зависит  от коэффициента усиления; усилитель устойчив; через дополнительный канал, являющийся маломощным усилителем с низким уровнем шума, проходят только составляющее искажений сигнала; изменение коэффициента усиления незначительно; результирующая полоса пропускания практически не меняется; искажения и коэффициент шума определяются в основном коэффициентом шума и уровнем искажений дополнительного канала; степень компенсации НЭ различных порядков одинакова. Недостатком этого способа является необходимость обеспечения высокой точности выполнения условия A=1/C=K.

Выводы:

1.Подавление внеполосных сосредоточенных помех осуществляется путем применения высокоэффективных селективных цепей и усилителей с повышенной линейностью.

2.При действии сигнала в присутствии помех в нелинейном радиотракте возникают нелинейные эффекты: блокирование, интермодуляция, перекрестная модуляция.

3.Основные способы повышения линейности усилителя: правильный выбор режима работы УЭ и оптимальных значений сопротивлений источника сигнала и нагрузки, применение корректирующих нелинейных цепей и динамических нагрузок, введение ООС, использование для компенсации НЭ дополнительных каналов в усилителях.

 

 

5.Действие импульсных помех на приемник

 

 

Действие ИП на радиотракт. Полагаем импульсную помеху аддитивной, а радиотракт — линейным, что позволяет рассматривать действие сигнала и ИП раздельно. Предположим, что радиотракт состоит из последовательно включенных одноконтурных резонансных усилителей. При воздействии ИП на колебательный контур первого каскада (рисунок 4, а) сначала происходит заряд его конденсатора. После прекращения действия ИП конденсатор начинает разряжаться, в результате чего в первом контуре возникает затухающий колебательный процесс (рисунок 4, б) с угловой частотой , на которую настроен контур. Чем выше добротность контура, т. е. чем уже его полоса пропускания, тем медленнее затухает колебание . Ко второму каскаду радиотракта приложено не импульсное напряжение, а напряжение . При этом в контуре второго каскада возникает переходный процесс; форма огибающей напряжения на его выходе несимметрична (рисунок 4, в). На входе третьего каскада в момент действия ИП . Форма напряжения ИП на выходе радиотракта, состоящего из N каскадов, показана на рисунке 4, г. Так как с расширением полосы пропускания радиотракта проходит на его выход больше составляющих спектра ИП, то ВЧ-импульса прямо пропорционально его полосе пропускания.

Выводы:

1.При действии на входе радиотракта ИП на его выходе возникает высокочастотный импульс, действующий после прекращения ИП. Это объясняется тем, что радиотракт является энергоемкой системой, которая при действии ИП сначала запасает энергию, а затем отдает ее.

2.Частота заполнения ВЧ-импульса на выходе радиотракта равна его резонансной частоте, форма огибающей такого импульса зависит от вида резонансных цепей в радиотракте.

3.Длительность τ ВЧ-импульса на выходе радиотракта обратно пропорциональна, а максимальное значение импульса прямо пропорционально полосе пропускания радиотракта

 

Способы подавления ИП. Используют четыре способа подавления ИП: 1) частотная селекция; 2) амплитудная селекция; 3) амплитудно-частотная селекция; 4) частотно-фазовая селекция.

Частотная селекция основана на том, что спектр сигнала ограничен, а спектр ИП бесконечен. Чем уже полоса пропускания радиотракта, тем меньше максимальное значение ИП, однако длительность τ помехи при этом возрастает.

Амплитудная селекция основана на использовании в радиотракте приемника ограничителя. Обычно ИП во много раз выше уровня сигнала (рисунок 5, а). Ее можно частично подавить в ограничителе; форма ИП после ограничения показана на рисунке 5, б. При амплитудной селекции плошадь ИП уменьшается, однако ИП по уровню остается равной сигналу.

Амплитудно-частотная селекция реализуется в цепи со структурой (рисунок 6) ШОУ (широкополосный фильтр с полосой — ограничитель — узкополосный фильтр с полосой ). Предположим, что на входе широкополосного фильтра действуют импульсный сигнал и ИП (напряжение  на рисунке 7, а; напряжение на его выходе показано на рисунке 7, б). После ограничителя ИП имеет уровень, равный уровню сигнала (напряжение на рисунке 7, в). Узкополосный фильтр работает как интегратор, ИП на его выходе не успевает нарасти до своего максимального значения, поэтому ее уровень становится меньше уровня сигнала. Если поставить еще один ограничитель по минимуму, то от ИП можно избавиться полностью (рисунок 7, г).

В системе ШОУ частотная селекция для борьбы с ИП осуществляется фильтром, амплитудная — ограничителем. Чем шире полоса тем меньше длительность ИП на выходе ограничителя и тем сильнее подавляется ИП в узкополосном фильтре. Однако при широкополосном входе на ограничитель могут попасть помехи от посторонних станций и из-за нелинейности ограничителя вызвать искажения сигнала. Помимо системы ШОУ для борьбы с ИП можно использовать систему ШПУ (широкополосный фильтр Ш — прерыватель П — узкополосный фильтр У). Прерыватель (рисунок 8) обеспечивает размыкание цепи на время действия помехи; для управления прерывателем создается цепь управления, состоящая из селектора помехи —СП и устройства управления ключом УК. Частотно-фазовая селекция реализуется в компенсационных системах, в которых для борьбы с ИП помимо основного канала создается дополнительный канал компенсации. На выходе основного канала (рисунок 9) действуют сигнал и помеха, на выходе канала помехи (канала компенсации) искусственно воссоздается помеха, которая в цепи вычитания ВУ компенсирует помеху на выходе основного канала. Спектр ИП (см. рисунок 2, б) значительно шире спектра сигнала, спектральная плотность S и фаза ИП в результирующей полосе пропускания радиотракта и в прилегающих к ней полосах частот (например, на частоте , рисунок 2, б) практически одинаковы. Это дает возможность по оценке и , на угловой частоте , воссоздать спектр и фазу ИП в полосе пропускания РПУ. Компенсацию помех можно осуществлять до детектирования и после него.

Додетекторная компенсация может осуществляться по схеме на рисунке 10. В этом устройстве после общей части приемника следуют три фильтра Ф₁ ,Ф₂ и Ф₃ с одинаковыми по форме АЧХ, настроенными соответственно на резонансные частоты . Фильтр Ф₁ пропускает сигнал и те составляющие спектра ИП, которые попадают в его полосу пропускания. Поэтому на выходе Ф₁ помимо сигнала действует ВЧ-импульс помехи, частота заполнения которого равна (напряжения на рисунке 11, а). На выходе фильтров Ф₂ и Ф₃ имеются только ВЧ-импульсы помех (напряжения и на рисунке 11, б, в); огибающая ВЧ-импульсов на выходе Ф₁—Ф₃ одинакова, они отличаются друг от друга только частотами заполнения. Для компенсация ИП на выходе фильтра Ф₁ нельзя использовать ИП на выходе фильтра Ф₂, так как . Поэтому необходимо импульс с частотой преобразовать в импульс с частотой ). Осуществить преобразование с помощью отдельного гетеродина невозможно, так как фаза преобразованного напряжения при этом будет зависеть от фазы гетеродина в момент действия помехи. Так как фазы ИП и гетеродина случайны, то преобразованное напряжение также будет иметь случайную фазу и ИП компенсироваться не будет. Поэтому необходимо произвести преобразование частоты ВЧ-импульса с сохранением его начальной фазы. Для этого в качестве напряжения гетеродина используют напряжение с выхода фильтра Ф₃ .Тогда на выходе преобразователя ПрЧ получают ВЧ-импульс, по огибающей, частоте и начальной фазе совпадающий с ВЧ-импульсом на выходе основного канала. Так как огибающая U и фаза импульсов (на выходе Ф₁—Ф₃) одинаковы, то можно записать ; ;. После преобразования . Так как в качестве гетеродинного используется напряжение , то . Если преобразование частоты осуществляется по второй гармонике крутизны, т. е. при k=2, то для разностной частоты . При этом должно выполняться условие —Следовательно, резонансная угловая частота фильтра Ф₃ .

При последетекторной компенсации (рисунок 12) после общей части РПУ сигнал совместно с ИП выделяется фильтром Ф₁, настроенным на частоту . На выходе фильтра Ф₂, настроенного на частоту и имеющего АЧХ, по форме совпадающую с АЧХ фильтра Ф₁, действует ВЧ-импульс помехи (напряжение и₂ на рисунке 12), огибающая которого совпадает с огибающей ВЧ-импульса помехи (напряжение и₁ на рисунке 12) на выходе фильтра Ф₁.

Напряжения с выходов фильтров Ф₁ и Ф₂ детектируются амплитудными детекторами АД₁ и АД₂ и далее вычитаются в схеме ВУ.

Так как ИП существует более короткое время, чем сигнал, то при действии ИП сигнал можно считать постоянным по амплитуде. Тогда огибающая результирующего колебания сигнала и ИП на выходе Ф₁ при разности фаз между ними и соответственно напряжение на выходе АД, а также огибающая ИП на выходе Ф₂ и соответственно напряжение на выходе АД₂ будут иметь вид, показанный на рисунке 13, а. После вычитания напряжений и в схеме ВУ происходит компенсация ИП и на ее выходе напряжение   на рисунке 13, а. действует только напряжение сигнала. Таким образом, в схеме на рисунке 12 ИП подавляется полностью только при условии равенства фаз сигнала и помехи.

 

Выводы:

1.При сужении полосы пропускания радиотракта максимальное значение ИП уменьшается, однако ее длительность при этом возрастает.

Амплитудно-частотная селекция используется в системе ШОУ. На выходе широкополосного фильтра действует сигнал и ВЧ-импульс помехи, ограничитель уменьшает уровень помехи до уровня сигнала. На выходе узкополосного фильтра ИП не успевает нарасти до своего максимального значения и ее уровень становится меньше уровня сигнала.

2.Частотно-фазовая селекция реализуется в компенсационных устройствах, в которых для борьбы с ИП создается дополнительный канал. Сигнал и помеха с выхода основного канала и помеха с выхода дополнительного канала подаются на цепь вычитания, на выходе которой помеха компенсируется.

 

 

 

 

 

6.Действие флуктуационных помех  на радиоприемник

 

 

Прохождение ФП через каскады РПУ. Поскольку флуктуацнонная помеха — случайный процесс, ее свойства и методы анализа воздействия на каскады приемника базируются на положениях и закономерностях теории случайных процессов. Интенсивность ФП оценивается спектральной плотностью , где —квадрат эффективного напряжения шума в единичной полосе

Прохождение ФП через линейный радиотракт. Рассмотрим прохождение ФП со спектральной точки зрения. Так как в линейном радbотракте действует принцип суперпозиции, то для нахождения напряжения ФП на его выходе необходимо каждую составляющую спектра ФП на входе умножить на квадрат коэффициента усиления, соответствующий этой частоте. Тогда спектральная плотность ФП на выходе радиотракта . На входе РПУ обычно действует ФП с равномерным спектром, поэтому; однако существенно зависит от частоты . Спектральная плотность ФП на выходе радиотракта полностью определяется его АЧХ. Квадрат эффективного напряжения ФП на выходе радиотракта