3.4 Динамический диапазон и выходная мощность

Динамическим диапазоном радиоприемника называют отношение (обычно в децибелах) максимального входного сигнала к минимальному:

.

Значительное увеличение амплитуды сигнала может привести к тому, что высокочастотная часть радиоприемника будет работать в нелинейном режиме. Появившиеся в результате этого нелинейные искажения типа комбинационных составляющих вызовут снижение реальной избирательности. Избежать этого можно, если динамический диапазон входных сигналов укладывается в пределах линейного участка динамической характеристики приемника.

Количественной оценкой линейности амплитудной характеристики приемника является величина рабочего диапазона, который равен отношению допустимой ЭДС сигнала к предельной чувствительности и выражается в децибелах:

.

Следовательно, рабочий динамический диапазон приемника должен быть не меньше динамического диапазона входных сигналов . Для обеспечения этого в приемниках применяются различные ручные и автоматические регулировки усиления. Регулировки позволяют уменьшить пределы изменения выходной мощности (или напряжения) приемника.

Выходной мощностью называется мощность, отдаваемая радиоприемником оконечному аппарату.

Величина выходной мощности должна соответствовать номинальной для данного типа оконечного аппарата и может быть от нескольких ватт до долей ватта.

Различают номинальную и нормальную выходную мощность.

Номинальная мощность – наибольшая мощность, при которой нелинейные искажения сигнала не превышают заданной нормы. Эта мощность соответствует 100% модуляции принимаемого радиосигнала.

Нормальная мощность – составляющая 10% номинальной. Она соответствует 30% модуляции.

Для приемников специального назначения, в первую очередь телевизионных и радиолокационных, имеющих в качестве выходного аппарата ЭЛТ, вместо выходной мощности задают выходное напряжение. В зависимости от назначения приемника величина выходного напряжения может находиться в пределах от долей вольта до десятков вольт.

3.5 Искажения. Источник шума в рпу. Способы повышения чувствительности рпу

Качество воспроизведения полезного сигнала характеризуется способностью радиоприемника воспроизводить на выходе форму огибающей кривой модулированного сигнала, воздействующего на его вход. В радиоприемнике принятый сигнал последовательно проходит через ряд электрических цепей, содержащих различные линейные и нелинейные элементы, поэтому в процессе приема возникают нелинейные искажения, и точное воспроизведение сигнала на выходе оказывается нарушенным.

Различают следующие виды искажений: частотные, нелинейные и фазовые.

Частотными называют искажения формы сигнала в результате нарушения закона распределения энергии между его спектральными составляющими. Такое нарушение закона распределения возникает в результате неравномерности усиления составляющих колебаний спектра сигнала.

Оценка частотных искажений производится при помощи коэффициента частотных искажений, который показывает ослабление сигнала на границе полосы пропускания.

На кривой избирательности приемника (рис.9,б) коэффициент частотных искажений показывает ослабление сигнала крайней боковой частоты:

.

Низкочастотная часть приемника также не обеспечивает равномерности усиления, в результате чего по всему тракту приемника могут быть значительно ослаблены сигналы крайних частот полосы пропускания. Ослабление верхних частот принимаемых полезных сигналов по всему тракту приемника может превышать 50%.

Нелинейные искажения связаны с изменением формы принимаемых сигналов в процессе прохождения их через электрическую цепь с нелинейной вольтамперной характеристикой (электронные лампы, транзисторы и элементы с ферромагнетиками). Вследствие нелинейности характеристик электронных ламп и транзисторов форма выходного сигнала искажается и, следовательно, изменяется его спектральный состав.

Фазовые искажения появляются в результате нарушения фазовых соотношений между гармоническими составляющими несинусоидального колебания.

Шумом называют колебания со сплошным спектром, в составе которого присутствуют компоненты бесконечно большого числа частот, в отличие от чистого тона, который соответствует колебанию одной частоты.

Хаотические колебания какой-либо физической величины около своего среднего значения (в том числе и нулевого) называется флуктуациями.

Источниками флуктуационных шумов в РПУ являются антенна, резисторы, колебательные контуры, электронные и полупроводниковые приборы. Шумы антенны образуют входные шумы, а шумы, возникающие в элементах приемника, называют собственными шумами. Чем больше собственные шумы приемника, тем хуже его чувствительность, т.к. для работы воспроизводящего устройства потребуется большая ЭДС или мощность сигнала на входе.

В результате шумов антенны даже при отсутствии внешних помех на входе радиоприемника уже имеется некоторое соотношение сигнал/шум:

.

Это соотношение не остается постоянным от входа до выхода приемника. На выходе к усиленным шумам антенны прибавляются собственные шумы приемника. В результате мощность шума на выходе линейной части приемника увеличивается:

, (*)

где - мощность собственных шумов приемника на выходе;

- усиленная в раз номинальная мощность шумов антенны.

Таким образом, соотношение сигнал/шум на выходе

.

Коэффициентом шума радиоприемника называется отношение, которое показывает, во сколько раз отношение сигнал/шум на выходе больше того же отношения на выходе:

,

или .

Так как - усиленная в раз номинальная мощность шумов антенны, то отсюда следует, что коэффициент шума показывает, во сколько раз мощность шумов на выходе линейной части реального приемника больше, чем на том же выходе идеального приемника.

Шумы на выходе линейной части идеального приемника равны только усиленным входным шумам.

Принимая во внимание (*), получим

.

В идеальном приемнике , т.е. в отсутствие собственных шумов . Все реальные приемники имеют коэффициент шума больше единицы ( ).

Коэффициент шума может быть выражен в децибелах:

.

Важные для выбора структурной схемы линейной части приемника выводы:

1. наибольшее влияние на общий уровень шумов оказывает шум первого каскада;

2. если первый каскад имеет большое усиление по мощности, то шумами последующих каскадов можно пренебречь;

3. для получения высокой чувствительности приемника необходимо снижать в первую очередь шумы первого каскада и повышать его коэффициент усиления номинальной мощности;

4. при использовании малошумящего первого каскада шумы на выходе приемника определяются в основном входными шумами. Снижать собственные шумы приемника целесообразно до уровня входных шумов.

Для характеристики шумовых свойств РПУ с малым уровнем собственных шумов используют шумовую температуру.

По шумовой температурой понимают такую температуру, при которой некоторое сопротивление, подключенное ко входу приемника (или любого четырехполюсника), создает на выходе линейной части последнего шумы, мощность которых равна мощности собственных шумов приемника (или четырехполюсника).

Мощность собственных шумов приемника на выходе

.

Поделив на обе части полученного выражения, получим мощность собственных шумов, приведенную ко входу приемника (или четырехполюсника):

.

Мощность собственных шумов на входе должна быть равна номинальной мощности шумов сопротивления при температуре , т.е. (**).

Заменяя в (**) левую часть на , получим следующее выражение:

.

До такой температуры должно быть нагрето подключенное ко входу приемника сопротивление .

Используют также понятие относительной шумовой температуры:

,

которое показывает, насколько коэффициент шума превышает единицу. Иногда называют избыточным коэффициентом шума.

Выводы:

1. Чувствительность приемника может быть ограничена усилением ли помехами. Предел чувствительности приемника ограничивается его внутренними шумами.

2. На выходе усилительного каскада всегда присутствует флуктуационный шум. Шумовые свойства усилительного каскада можно оценить с помощью либо коэффициента шума, либо шумовой температуры.

3. Результирующий коэффициент шума многокаскадного устройства в основном определяется коэффициентом шума и коэффициентом усиления по мощности его первых каскадов. Для снижения результирующего коэффициента шума стремятся обеспечить в первом каскаде меньшее значение и большее .

4. Для повышения чувствительности приемника необходимо уменьшать шумы радиотракта, использовать помехоустойчивые сигналы, по возможности уменьшать полосу пропускания радиотракта.

5. Уменьшение коэффициента шума радиотракта достигается включением в него усилителя радиочастоты УРЧ.

6. Усилитель может усиливать сигнал без заметных искажений только в определенном диапазоне амплитуд входного сигнала.

7. Избирательность основана на использовании отличительных признаков между полезным и мешающим сигналами, таких, как направление (пространственная избирательность), время действия (временная избирательность), амплитуда (амплитудная избирательность), частота (частотная избирательность) и фаза (фазовая избирательность). Наиболее распространена частотная избирательность.

8. Реальная селективность характеризует способность приемника выделять полезный сигнал при одновременном действии помех. При сильных помехах проявляется нелинейность радиотракта. При этом в радиотракте возникают ухудшающие избирательность нелинейные эффекты: перекрестная модуляция, блокирование, интермодуляция.

9. Приблизительную оценку качества приемника дает односигнальная избирательность, определяемая только АЧХ фильтров радиотракта приемника. Она оценивается при поочередном действии на входе РПУ либо полезного сигнала, либо мешающего сигнала. Односигнальная избирательность дает оценку ослабления помех по соседнему каналу, зеркальному каналу, каналу на промежуточной частоте и комбинационным каналам.