Что такое реальная чувствительность? Практическое использование специальных шкал децибел при проверке чувствительности радиоприемников Чувствительность антенны.

Под чувствительностью понимается способность радиоприемного устройства принимать слабые сигналы. Она определяется минимальной величиной входного сигнала, которая обеспечивает нормальное функционирование исполнительного устройства при заданном превышении сигнала над помехой. Если чувствительность приемника ограничивается собственными шумами, ее можно оценить реальной или предельной чувствительностью, коэффициентом шума и шумовой температурой. Реальная чувствительность равна величине э.д.с. (номинальной мощности) сигнала в антенне, при которой напряжение (мощность) сигнала на выходе приемника превышает напряжение (мощность) помех в заданное число раз. Если мощность сигнала равна мощности помех на выходе линейной части приемника – предельная чувствительность .

Чувствительность радиоприемного устройства определяется уровнем внутренних и внешних шумов и помех э.д.с., приведенных к его входу, величина которых составляет

где – э.д.с. шумов и помех, обусловленных их влиянием извне на характеристики радиоприемного устройства;

– э.д.с. собственных шумов и помех, приведенных к входу радиоприемного устройства.

Влияние внешних шумов на чувствительность радиоприемного устройства в диапазоне частот различное и зависит от причин их возникновения. В диапазоне рабочих частот до 100 МГц наибольшее влияние оказывает средний уровень промышленных помех в городе (рис. 1.7). В данном диапазоне также большое влияние оказывают помехи, обусловленные атмосферными, грозовыми и космическими явлениями. Суммарное значение э.д.с. помех, наводимых в антенне, определяется выражением

где – отдельные источники э.д.с. помех.

Суммарное значение э.д.с. помех может быть определено по данным (рис. 1.7), где представлены их частотные зависимости в эффективной шумовой полосе частот, равной 1 кГц.

Уровень внешних помех, наводимых в согласованной антенне, определяется выражением

где – суммарное значение помех, наводимых в антенне в мкВ/м;

– действующая высота антенны в метрах;

– шумовая полоса радиоприемного устройства в кГц.

В диапазоне частот свыше 100 МГц основным видом помех являются внутренние шумы радиоприемного устройства и шумы антенны. Шумы антенны обусловлены приемом шумовых излучений космического пространства, атмосферы земли и ее поверхности, а также тепловым шумом сопротивления потерь r п антенны. В инженерной практике за шум антенны принимают э.д.с., наводимую в полном сопротивлении антенны R А нагретого до величины, называемой эффективной шумовой температурой антенны T А. Эквивалентная схема настроенной антенны с учетом наводимых шумов и помех представлена на рисунке (рис. 1.8).

Рис. 1.8 - Эквивалентная схема настроенной антенны

Величина уровня шума в антенне определяется формулой Найквиста

где k – постоянная Больцмана равная 1.38×10 - 23 Дж/град;

П Ш – шумовая полоса радиоприемного устройства;

T А – абсолютная температура антенны в К 0 .

Величина температуры T А зависит от формы диаграммы направленности антенны, от характера шумовых источников, действующих в зоне радиоприема, от диапазона рабочих частот (рис. 1.9) и т.д.

Рис. 1.9 - Зависимость шумовой температуры приемной антенны от частоты (1 – максимальная; 2 – минимальная)

Мощность шума антенны, поступающего на согласованный вход радиоприемного устройства, определяется величиной (1.14) и равна

Для оценки предельной чувствительности и шумовых свойств радиоприемного устройства используется понятие коэффициента шума N , определяемого как степень уменьшения отношения сигнал/шум на выходе линейного тракта по сравнению с этим соотношением на его входе при стандартных условиях измерения.

где – мощность сигнала на входе;

– рассеиваемая мощность, обусловленная тепловым шумом сопротивления эквивалентного генератора при T 0 = 290 K 0 ;

– мощность шума на выходе линейного тракта при определении коэффициента шума;

– мощность сигнала на выходе линейного тракта радиоприемного тракта.

Под линейным трактом понимаются все каскады приемного радиочастотного тракта до детектора.

Чувствительность приемного устройства в диапазоне метровых и менее длин волн в режиме согласования при заданном отношении сигнал/шум на выходе линейного тракта определяется выражением:

где – относительная шумовая температура антенны;

Т 0 – стандартная температура(290 К);

– коэффициент шума приемника (1.16);

– коэффициент различимости на выходе линейного тракта приемника.

В единицах напряжения:

где r А – сопротивление антенны (эквивалента антенны).

При определении требований к приемному устройству по шумовым свойствам на практике определяют допустимым коэффициентом шума .

В диапазоне ДВ, СВ и КВ, если задана э.д.с., наведенная в антенне:

Если чувствительность определяется напряженностью поля сигнала

Для диапазонов метрового и менее длин волн:

где K рф – коэффициент передачи мощности фидерной линии (волновода).

Исходя из анализа предыдущих выражений, можно сделать следующие выводы:

1. Если уровень помех в антенне больше уровня шумов приемника, то требования к шумовым параметрам приемника не предъявляются.

2. В диапазоне частот более 100 МГц необходимо принять меры к уменьшению коэффициенту шума приемника, полосе пропускания и т.д.

3. На частотах более 1 ГГц уровнем внешних шумов можно пренебречь.

ПОВЫШЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ РАДИОПРИЕМНИКА

Чувствительность простого радиоприемника можно существенно повысить при помощи нескольких способов. Рассмотрим три из них:

Казалось бы - чего проще - добавляй дополнительные каскады усиления... Но на практике простое добавление усилительных каскадов приводит к нестабильной работе усилителя. Чрезмерное усиление приводит к возбуждению усилителя. Практически признано нецелесообразным использование более трех каскадов усиления как в усилителях радиочастоты, так и в низкочастотных усилителях. Можно вывести режим транзистора в диапазон максимального усиления, но такой режим характеризуется сильной зависимостью параметров от уровня входного сигнала, то есть такой усилитель буде неплохо усиливать слабый сигнал, но при увеличении его до некоторого уровня транзистор начнет работать с отсечкой коллекторного тока. Работа транзистора в режиме отсечки приведет к возникновению значительных искажений. На практике, режим транзистора устанавливается на участке с линейной характеристикой усиления (коллекторный ток транзистора выбирается в режиме молчания на уровне 0,5-1 миллиампера), то есть от каскада трудно получить усиление выше 35-40. Двухкаскадный усилитель, таким образом, будет иметь максимальное усиление не более 1600. Использование такого усилителя в простом радиоприемнике не позволит добиться высокой чувствительности приемника в целом. Приблизительно, чувствительность такого радиоприемника (по полю) будет равна 10-15 милливольт на метр. Учитывая низкую эффективность магнитной антенны, такой приемник позволит принимать только мощные радиостанции, удаленные от места приема не более, чем на 150-200 километорв (это замечане справедливо при постройке радиоприемника на длинно или средне волновый диапазоны).

Для увеличения чувствительности радиоприемника в целом можно применить более тщательное согласование всех его каскадов. Один из таких приемов - применение на входе УРЧ Истокового повторителя на полевом транзисторе:

Сам по себе истоковый повторитель не усиливает сигнал (коэффициент усиления - всегда меньше еденицы), но он повышает входное сопротивление УРЧ до нескольких сотен килоом. Как известно, каскад на биполярном транзисторе обладает невысоким входным сопротивлением (до едениц килоом). Если на вход такого усилителя включить колебательный контур - каскад сильно зашунтирует контур, что скажется на его добротности (а, значит - и эффективности!). От добротности контура зависит как чувствительность, так и избирательность (способность принимать только одну радиостанцию) приемника в целом. При низкой добротности резонанс колебательного контура при настройке на работающую радиостанцию будет "расплывчатым". Эта "расплывчатость" приведет к снижению наводимого в контуре напряжения, также при наличии в месте приема нескольких радиостанций - их сигналы будут проникать на вход УРЧ одновременно, что сделает практически невозможным прием радиопередачи какой либо конкретной радиостанции. Для согласования такого каскада с контуром магнитной антенны приходится использовать катушку связи, которая содержит, как правило, в 6-10 раз меньшее количество витков, чем контурная. Применение катушки связи пропорционально уменьшает уровень входного сигнала на входе УРЧ. При использовании на входе усилителя истокового повторителя необходимость в катушке связи отпадает и теперь на вход усилителя поступает уже весь сигнал, наведенный в контуре магнитной антенны принимаемой радиостанцией. На практике применение истокового повторителя реально повышает чувствительность радиоприемника в 5-6 раз, что эквивалентно увеличению дальности приема радиостанций.

Если вы испытывете затруднения в приобретении полевого транзистора - можно повысить чувствительность радиоприемника применением эмиттерного повторителя но уже на выходе УРЧ:

Эмиттерный повторитель, так же, как и истоковый, имеет усиление по напряжению меньше еденицы. В данной схеме повышение чувствительности достигнуто применением на выходе усилителя автотрансформатора L1. Автотрансформатор наматывается на ферритовом кольце типоразмеров К8-К10 (наружный диаметр) и содержит 50+250 витков, провода ПЭВ-0,1. Дальнейшему увеличению усиления способствует применение для детектирования сигнала схемы с удвоением напряжения на диодах VD1,VD2. Реально данная схема увеличивает чувствительность радиоприемника в 3-4 раза.

Коэффициент передачи диодного детектора при однополупериодном выпрямлении обычно равен 0,3-0,5. Детектор с удвоением напряжения имеет коэффициент передачи в 1,4 раза больше, чем однополупериодный. Остальное напряжение бесцельно теряется на переходах диодов. Третий из рассматриваемых нами способов повышения чувствительности приемника - это применение так называемого транзисторного детектора. Детектор на транзисторе дополнительно усиливает низкочастотное полезное напряжение радиопередачи. Коэффициент усиления детектора на транзисторе может достигать 80-100, что эквивалентно общему повышению усиления радиоприемника. Такое повышение может служить поводом для возбуждения усилителя, поэтому в данном случае желательно использовать систему Автоматической Регулировки Усиления (сокращенно - АРУ). Суть АРУ заключается в автоматическом снижении усиления усилителя при высоком уровне входного сигнала.

Практическая схема транзисторного детектора приведена ниже:

Транзистор работает на нелинейном участке характеристики. Рабочий режим транзистора задается при помощи диода. При увеличении входного сигнала напряжение на коллекторе пропорционально уменьшается. Это напряжение можно использовать для установки рабочих точек транзисторов усилителя РЧ. Напряжение АРУ подается на базы транзисторов УРЧ через простейшие развязывающие RC цепочки. Для большинства случаев бывает достаточно применить АРУ только в первом (входном) каскаде УРЧ.

Примерная схема фильтра приведена ниже:

Номинал резисторов R1 и R2 зависит от необходимого уровня смещения на базу транзистора и подбирается к конкретному экземпляру. Емкость конденсатора может колебаться от 0,033 до 0,1 микрофарады.

УДК 621.396.62.089.52 C.B. Мелихов, В.А. Кологривов

Оценка чувствительности радиоприемников с настроенными антеннами

Получены выражения для оценки чувствительности радиоприемников с настроенными антеннами при учете собственных и внешних шумов, характеризуемых коэффициентами шума

Введение

В современных литературных источниках внешние для радиоприемника шумы характеризуют зависящими от частоты коэффициентами шума . Однако расчетные соотношения для оценки чувствительности приемников с учетом собственных и внешних шумов или не приводятся , или ошибочны .

Целью данной работы является вывод расчетных соотношений для оценки чувствительности радиоприемников с настроенными антеннами с учетом собственных и внешних шумов, характеризуемых коэффициентами шума.

1. Оценка чувствительности приемника при аналоговой связи

Чувствительность приемника характеризует его возможность принимать слабые радиосигналы.

Реальная чувствительность приемника при аналоговой связи - это минимально допустимое значение мощности радиосигнала на входе приемника Рс вх0 (либо минимально допустимое эффективное значение ЭДС радиосигнала в антенне Ес, либо минимально допустимое эффективное значение напряженности электромагнитного поля радиосигнала в точке приема ес), при котором на выходе приемника в исполнительном устройстве (ИУ) обеспечивается заданное отношение средней мощности сигнала S к средней мощности шума N (Увых = S/N = = SNR, SNR - Signal to Noise Ratio) .

Параметр SNR характеризует качество приема при аналоговой связи. При малых потерях в фидере, подводящим сигнал от антенны ко входу радиотракта (РТ) приемника (ко входной цепи), или при отсутствии фидера (когда согласованная антенна подключается непосредственно ко входу приемника, имеющему в режиме согласования входное сопротивление Двх) значения ес, Ес, Рсвх0 связаны между собой следующим образом:

Если приемники имеют настроенные антенны, что характерно, например, для приемников мобильных систем связи, то их чувствительность оценивают параметром Рс вх0 .

Реальная чувствительность Рс вх0 зависит от уровня собственных шумов приемника; от уровня внешних шумов (помех); от величины потерь в фидере приемника; от полосы пропускания РТ приемника, от величины увых. Заметим, что коэффициент усиления приемника должен быть достаточным для того, чтобы увеличить принятую мощность Рс вх0 до величины, при которой нормально работает ИУ приемника.

При выводе формулы для оценки чувствительности приемника удобно привести мощность полезного сигнала и все шумовые мощности к выходу РТ (к точке «а», рис. 1).

Поскольку отношение сигнал/шум на выходе детектора Увыхд = УВЬ1Х (УНЧ практически не ухудшает отношение сигнал/шум), то значение увыхРТ = УВхД можно найти для диодного амплитудного детектора (АД) и диодного частотного детектора (ЧД), используя следующие формулы, определяющие изменение отношения сигнал /шум при детектировании :

где тср =0,3 - средняя величина индекса модуляции AM сигнала; Мчм = /д max / Fa -

индекс частотной модуляции.

Уъъа. РТ - Уъу. . Д

Рис. 1 - Структурная схема приемника

При гетеродинном (синхронном или асинхронном) детектировании (ГД)

УвхГД = УвыхГД (4)

Собственные шумы радиотракта (РТ) приемника характеризуют коэффициентом шума Nuр. Мощность шумов РТ, приведенная к выходу РТ (к точке «а», см. рис. 1) :

^шРТ = ^РТ^шО^пр ~ !) . (5)

где кРТ - коэффициент усиления по мощности РТ приемника; Рш0 = кТ0Вш - номинальная мощность теплового шума (мощность, поступающая от шумящего сопротивления Нш в согласованную нагрузку R = Дш; величина Рт0 не зависит от Дш); k = 1,38 Ю-23 Дж/К - постоянная Больцмана; Г0 = 290К (считается, что комнатная температура 17 °С); Вт =1,1Вду - шумовая полоса приемника, Гц; BRF - полоса пропускания приемника для сигнала на радиочастоте (Radio Friqency).

Коэффициент шума фидера как пассивного устройства (при согласовании его входа с антенной, а выхода - со входом РТ) равен его потерям Ыф = т]л = 1/Аф, где k0 - коэффициент передачи фидера по мощности. Тогда мощность собственных шумов фидера, приведенная к выходу РТ:

РщФ ~ ^РТ^Ф-^шО^П _ кргркфРш0

Мощность внешних шумов, приведенная к выходу РТ при условии пренебрежения шумами от сопротивления потерь антенны (Дпот = 0):

= /грТйфРш0 -- = (гр^кф Рш0 (ЛГ2 - 1),

где = (гатм + Гпром + ггал + ^зем) - суммарная температура внешнего шума; Татм - температура атмосферного шума; Т^^ - температура промышленного шума; Тгал - температура галактического шума; Тзем - температура теплового шума Земли (для слабо направленной

приемной антенны принимают 71зем ~Т0 = 2,9 102К);

1 + ХГ|/Г0- (8)

результирующий коэффициент внешнего шума.

Атмосферные (грозовые) и промышленные помехи носят импульсный характер, а интенсивность их спектральных составляющих имеет падающий характер с повышением частоты (рис. 2). Однако в пределах полосы приемника интенсивность спектральных составляющих импульсных помех можно считать постоянной. Поэтому импульсные атмосферные (грозовые) и промышленные помехи называют атмосферными и промышленными шумами.

Рис. 2 - Приблизительные зависимости коэффициентов внешнего шума или температур внешнего шума Т(= Тп(Ы1 - 1) от частоты для слабонаправленной приемной антенны: 1 - атмосферный шум днем; 2 - атмосферный шум ночью; 3 - промышленный шум в особо тихих местах; 4 - промышленный шум в малом городе; 5 - промышленный шум в большом городе; 6 - галактический шум; 7 - шум Земли

Интенсивность внешних шумов от различных источников, принимаемых слабонаправленной антенной, можно характеризовать температурами внешнего шума (Т¡) или коэффициентами внешнего шума (ЛГ4) (см. рис. 2). Удобнее при расчетах пользоваться величинами

коэффициентов шума, выраженными в децибелах: [дБ] = 101ё(1 + Тг/Т0) .

При наличии внешних шумов от различных источников необходимо для определенной радиочастоты f оценить результирующий коэффициент внешнего шума Л^ с использованием зависимостей, изображенных на рис. 2. Для этого преобразуем выражение (8) следующим образом:

" атм + пром гал + _

коэффициент атмосферного шума, дБ; Л"щ^ - коэффициент промышленного

шума, дБ; ЛГгал - коэффициент галактического шума, дБ; АГзем - коэффициент шума Земли, дБ; в - число слагаемых, учитываемых в квадратных скобках формулы (9). Полная мощность шума на выходе РТ приемника с учетом выражений (5)-(7):

-^ш.выхРТ - -РшРТ + ^шФ + ^ш.внеш - ^Г^ф-^шО

Мощность сигнала на выходе РТ, соответствующая реальной чувствительности Рс вх0:

сРТ - ^РТ^Ф^с.вхО

Поскольку

УвыхРТ=р-, (12)

то из уравнений (10)-(12) следует, что реальная чувствительность приемника с согласованной антенной:

с.вхО _ УвыхРТ-^шо

где на основе выражения (9) с учетом того, что Ызек =(1 + Т0/Т0) = 2 (или Язем = 3 дБ, см. рис. 2)

Ю0-1*.™ +1о°-ш-р«» +юол^« +10одз

100,1N„„ +1()0,Шпроы А1П0,Ш„

Если частота радиосвязи / >~ 520 МГц, уровни внешних атмосферных, промышленных (даже в большом городе) и галактических шумов пренебрежимо малы. При этом 7Уатм = = ^пром = ^гал = 0 дБ (см. рис. 2), следовательно, = - (4 -1) = 2Узем = 2 . Такой же величине коэффициента внешнего шума соответствует случай, когда приемник находится далеко от источников промышленных шумов (в сельской местности), а />- 250 МГц. В этих случаях выражение для оценки реальной чувствительности приемника упрощается и имеет вид

^с.вхО Увых РтАпо

2. Оценка чувствительности приемника при цифровой связи

При цифровой связи качество приема оценивают вероятностью битовой ошибки, которую еще называют частотой появления битовой ошибки (BER - Bit Error Rate). Параметр BER для различных видов цифровой манипуляции однозначно связан с нормированным отношением качества для цифровой связи Eb/N0 где Еь - энергия сигнала на 1 бит; N0 - спектральная плотность мощности аддитивного белого гауссовского шума в полосе 1 Гц, а отношение Eb/N„ также однозначно связано с отношением средней мощности сигнала к средней мощности шума на выходе РТ приемника увьпсРТ = (S / N)BbIX РТ = (S7Vi?)RbIX ^ .

Поэтому чувствительность приемника при цифровой связи оценивается по формуле (13) или (15) после того, как определена необходимая величина увыхРТ из требуемой величины параметра BER.

Таким образом, в данной работе получены расчетные соотношения для оценки чувствительности радиоприемников с настроенными антеннами с учетом собственных и внешних шумов, характеризуемых коэффициентами шума.

Чувствительность усилителя зависит от коэффициента усиления: она теп выше, чем коэффициент больше. Однако чувствительность радиоприемного устройства определяется не только его способностью усиливать принимаемые сигналы. Если бы такое устройство было абсолютно бесшумным, тогда действи­тельно его чувствительность определялась только способностью усиливать при­нятые радиосигналы. Отсоедините антенну от радиоприемника и установите ре­гулятор громкости на максимум: в динамической головке громкоговорителя по­явится звук, напоминающий звук сыплющегося песка или мелкой крупы. Это собственный шум радиоприемника. Он-то и ставит предел реальной чувстви­тельности радиоприемника. Ведь можно услышать только тот принятый сигнал, громкость которого будет не меньше громкости шума. В радиовещании приня­то, что уровень громкости радиопередачи должен превышать уровень шумов-на выходе радиоприемника на 20 дБ (в 10 раз), а в диапазоне УКВ на 26 дБ (в 20 раз).

Основная причина шумов радиоприемного устройства - тепловое хаотич­ное движение электрически заряженных частиц. Резисторы, транзисторы, элек­тронные лампы, колебательные контуры, даже провода, короче говоря, весь ра­диоприемник от антенны до головки громкоговорителя создает шумы. Особен­но опасен шум антенны, входного устройства и первого усилительного каска­да, потому что он усиливается всеми остальными каскадами приемника. Созда­ют шум и индустриальные помехи, имеющие широкий диапазон частот, а по­тому попадающие в полосу пропускания приемника, сигналы мощных радио­станций, а также радиоизлучение солнца и даже Галактики. Все шумы накла­дываются на принимаемый сигнал и снижают реальную чувствительность при­емника. Поэтому чувствительность принято характеризовать наименьшим уров­нем входного сигнала, обеспечивающим на выходе УПЧ заданное соотношение­сигнал-шум. Однако в радиолюбительской практике, а также при измерений параметров радиовещательных приемников чувствительность часто характери­зуют таким наименьшим уровнем сигнала на входе приемника, при котором обеспечивается стандартная выходная мощность приемника 50 мВт при задан­ном соотношении сигнал-шум и максимальном усилении УЗЧ, т. е. учитывает­ся и шум УЗЧ.

В качестве стандартной мощности приняты 50 или 5 мВт - для приемни­ка с максимальной выходной мощностью до 150 мВт. Однако измерять непо­средственно мощность неудобно, поэтому измеряют выходное напряжение. Зная номинальное сопротивление Яном звуковой катушки громкоговорителя (оно ука­зано в технической документации на громкоговоритель), по формуле Uвых = ~~ v PRkom или по графику на рис. 61 можно определить выходное напряже­ние, соответствующее мощности 50 мВт.

Рис. 61. Зависимость выходно­го напряжения от полного соп­ротивления звуковой катушки

Измеряют реальную чувствительность в экранированной камере, исключа­ющей наведение посторонних сигналов на антенный вход приемника. В люби­тельских условиях роль такой камеры в какой-то степени может играть ком­ната в современном панельном доме, стены которого пронизаны металлической арматурой. На вход радиоприемника от ГСС через согласующее устройство по­дают высокочастотный сигнал. При этом качество согласования выхода гене­ратора со входом приемника играет решающую роль. (Схемы эквивалентов ан­тенны показаны на рис. 57.) Выходное сопротивление генератора ГСС-6 (Г4-1) при использовании внешнего делителя равно внутреннему сопротивлению это­го делителя: на зажиме «10» - 80 Ом, на зажиме «1» - 8Ом, на зажиме «0,1» - 0,8 Ом. При соединении эквивалента антенны с зажимом «10» внешнего дели­теля резистор R 3 может отсутствовать; то же будет и при присоединении эквивалента антенны непосредственно к выходному гнезду генератора ГСС-6 (без­выносного делителя). При подключении эквивалента к зажиму «1» внешнего делителя сопротивление резистора R 3 должно составлять 80 - 8=72 Ом, при подключении к зажиму «0,1» 80 - 0,8 = 79,2 Ом. При измерении чувствитель­ности в УКВ диапазоне выходное сопротивление ГСС обычно равно 75 Ом, поэтому надо пользоваться эквивалентом антенны, схема которого показана на рис. 57,г (без дополнительных сопротивлений). При использовании генератора поля (см. рис. 58) рамку надо присоединять к вы­ходному гнезду генератора, а не к вынос­ному делителю. Эквивалент антенны дол­жен быть тщательно экранирован, нахо­диться непосредственно у антенного ввода радиоприемника и подключаться к нему стандартным разъемом. Экран эквивалента соединяют с зажимом «Земля» приемника проводником длиной 10 - 20 мм, а выносной делитель генератора подключают к экви­валенту короткими проводниками. Только при соблюдении таких условий можно из­мерить чувствительность приемника с до­статочной точностью.

К звуковой катушке головки громкоговорителя или ее эквиваленту под­ключают индикатор выхода, а лучше - электронный вольтметр, реагирующий на среднеквадратичное значение переменного напряжения. При измерении на­пряжения шумов, форма сигнала которых хаотична, градуировка вольтметра, реагирующего на амплитудное или средневыпрямленное напряжение, будет не­верна. Но можно обойтись и обычным вольтметром, так как погрешность из­мерения чувствительности зависит главным образом от точности определения выходного напряжения ГСС, которая редко бывает лучше 10%.

Измерения производят в трех точках диапазона: на краях и в середине. Приемник настраивают на нужную частоту, а регулятор громкости - на мак­симум (регулятор полосы пропускания УПЧ устанавливают в положение на­иболее широкой полосы; это же относится и к регуляторам тембра). В ГСС включают AM частотой 1000 Гц и глубиной 30%. Настраивают ГСС на часто­ту радиоприемника по максимальному отклонению стрелки индикатора выхода. Затем регулируют уровень выходного напряжения ГСС таким образом, чтобы индикатор выхода зафиксировал напряжение, соответствующее стандартной вы­ходной мощности. Чувствительность приемника будет равна выходному напря­жению ГСС (в микровольтах), снятому по шкале аттенюатора.

Далее выясняют, реальная ли это чувствительность, т. е. соответствует ли она заданному соотношению сигнал-шум. Ведь индикатор выхода измеряет ре­зультирующее напряжение, складывающееся из напряжений сигнала U e , шумов U m и внешних помех U п. Чтобы измерить эти составляющие, модуляцию ГСС выключают. Показания индикатора выхода при этом заметно уменьшатся и будут соответствовать значению (U 2 m + U 2 n ) -2 , так как в это время напряжение звуковой частоты на нагрузке детектора приемника от сигнала ГСС отсутствует. Затем измеряют напряжение собственных шумов приемника, для чего за­мыкают накоротко антенный вход приемника. Теперь внешние помехи уже не попадают в приемник, и показания индикатора выхода определяются только внутренними шумами. Вычисляют отношение (U 2 m + U 2 u / U m ) -2 . Если оно хотя бы в 4 раза меньше требуемого отношения сигнал-шум, то действием внешней помехи U n пренебрегают и полученное ранее значение чувствительности явля­ется реальной чувствительностью приемника. Если же это отношение более задан­ного, то это означает, что шумы приемника надо уменьшить. Для этого умень­шают усиление приемника, например, регулятором УЗЧ, замыкают антенный вход приемника и измеряют напряжение U m внутренних шумов. Затем не из­меняя положения регулятора громкости приемника, размыкают антенный вход, включают в ГСС модуляцию и регулируют его выходное напряжение до тех пор, пока индикатор выхода приемника отметит напряжение, соответствующее стан­дартной выходной мощности 50 мВт. Определяют новое отношение U e ! U m или выражение с учетом напряжения помех U n – Если оно соответствует задан­ному значению, то получается значение реальной чувствительности приемника. Если оно опять хуже заданного, то снова уменьшают усиление приемника и т. д.

При измерении чувствительности УКВ радиовещательных приемников с ЧМ ТСС должен обеспечивать следующие параметры ЧМ: частота модуляции 1000 Гц, девиация частоты (полоса качания) 15 кГц.

Какой же чувствительностью должен обладать радиоприемник? Это зависит -от его назначения и класса. Приемники, предназначенные для любительской KB радиосвязи, имеют очень высокую чувствительность (около 1 - 3 мкВ). Это предельная чувствительность приемника, работающего с обычной антенной, так как слишком велики воспринимаемые ею внешние помехи. Чувствительность радиовещательных приемников высшего класса в диапазонах ДВ, СВ и KB 50 мкВ, а для более низких классов 200 - 300 мкВ. Если прием ведется на внутреннюю магнитную антенну, то чувствительность приемника должна на­ходиться в пределах 1 - 3 мВ/м. Чувствительность радиовещательных прием­ников в УКВ диапазоне составляет 10 - 30 мкВ, а у радиовещательных при­емников высшего класса даже 5 мкВ.

Отметим, что чаще всего измерения дают завышенный результат, т. е. действительная чувствительность приемника хуже, чем показывают приборы. Ос­новной источник погрешности измерений, особенно у чувствительных приемни­ков, проникновение сигнала на вход приемника помимо эквивалента антен­ны. И еще одно замечание: если измерение чувствительности дает весьма низ­кий результат, к тому же обнаружена большая неравномерность чувствитель­ности по диапазону, а предварительные измерения коэффициентов усиления от­дельных блоков приемника показали нормальную работу, то причиной низкой чувствительности супергетеродинного приемника будет скорее всего плохое со­пряжение настроек входных и гетеродинных контуров.

Лекция №6 н.

Внутренние шумы и чувствительность приемника .

Собственное сопротивление антенны, ее тепловой шум и шумы входных цепей радиоприемника являются факторами, влияющими на чувствительность радиоприемника - т.е. способность приемника обеспечивать прием слабых радиосигналов. Основное влияние имеет шум, возникающий во входных каскадах радиоприемника, поскольку он усиливается в той же степени, как и полезный сигнал.

Как известно, каждый проводник, имеющий сопротивление, создает электрические флуктуации - шум во всем частотном спектре. Этот шум обусловлен тепловым движением носителей электрического заряда. Случайное тепловое движение носителей заряда в проводнике вызывает случайную разность потенциалов на его концах. Эта разность потенциалов колеблется около среднего значения, равного нулю, а ее средний квадрат пропорционален абсолютной температуре. Этот шум называют тепловым. Величина шума зависит от омического сопротивления проводника, его температуры и ширины полосы передаваемого сигнала. Среднеквадратическое напряжение теплового шума, В, определяется из выражения

где k - постоянная Больцмана, k = 1, 38٠10 -23 Дж/К; Т - температура, К; В - ширина полосы, Гц; R - сопротивление, Ом,

Приемник является устройством, состоящим из множества активных и пассивных элементов, обладающих активным сопротивлением, Линейная часть радиоприемника от входа до детектора характеризуется безразмерным коэффициентом шума F, который показывает во сколько раз отношение мощностей сигнала и шума на входе Рс/Рш больше отношения мощностей сигнала и шума на выходе Р С.Вых /Р ш.вых :

В настоящее время принято использовать коэффициент шума, выраженный в децибелах. В идеальном нешумящем приемнике коэффициент шума F = 1 (О дБ), так как сигнал и шум усиливаются в одинаковое число раз. В реальных приемниках коэффициент шума увеличивается из-за внутренних шумов, в результате чего мощность шумов на выходе возрастает, а выходное отношение сигнал-шум уменьшается.

Выходную мощность Рш.вых можно представить в виде двух слагаемых: Р Ш G обусловленного усилением шума источника, и Рвн, обусловленного внутренними, собственными шумами, где G - коэффициент усиления по мощности приемника. Тогда (2.16) можно преобразовать к следующему виду:

(5.17)

Для того чтобы можно было сравнивать различные приемники по шумовым свойствам, в качестве входного шума Рш используют стандартное значение мощности теплового шума резистора R при Т = 293 К:

Иногда используют другое значение температуры - 299 или 300 К, при этом числовое значение Рш изменяется несущественно.

Чувствительность радиоприемника, оцениваемая лишь значением мощности сигнала Рс, при которой обеспечивается прием сигнала, учитывает лишь усилительные свойства радиоприемника. Может показаться, что путем увеличения усиления можно осуществлять прием любых сколь угодно слабых сигналов. На самом деле приемник с большим усилением неизбежно усиливает и свои внутренние шумы, которые и ограничивают его чувствительность.

Отношение мощности сигнала к мощности шумов на выходе линейной части приемника характеризует отношение сигнал-шум, иногда называемое коэффициентом различимости,

Предельная чувствительность приемника равна минимальной мощности входного сигнала на входе Рс = Р Спр при коэффициенте различимости q = 1, при этом

Таким образом, предельная чувствительность приемника пропорциональна коэффициенту шума.

Уверенный прием полезного сигнала обеспечивается при значительном превышении мощности полезного сигнала Р С.ВЬ1Х над шумом Р Ш.ВЫХ, т.е. при коэффициенте различимости q > 1. Реальная чувствительность приемника оценивается минимальной мощностью входного сигнала Рс, при котором достигается заданный коэффициент различимости q > 1, т.е.

Рис. 5.14. Эквивалентная схема для определения чувствительности РПУ

Получим расчетную формулу для определения реальной чувствительности радиоприемного устройства. Полагая, что источник имеет внутреннее сопротивлением Rи, как показано на рис. 5.14, мощность шума на входе приемника

(5.22)

Для того чтобы максимальная мощность отдавалась в нагрузку, должно выполняться условие равенства внутреннего сопротивления источника и сопротивления нагрузки тогда

Полагаем, что шумы имеют тепловое происхождение и определяются формулой (5.15), тогда реальная чувствительность приемника

(5.24)

Следует помнить, что при Rи = R BX напряжение на входе приемника в два раза меньше напряжения, действующего на выходе источника в режиме холостого хода.

Для расчета параметров радиоаппаратуры удобно использовать логарифмические единицы. Коэффициент шума, выраженный в децибелах,

NF =10lgF. (5.26)

Чувствительность, выраженная в децибелах по отношению к милливатту (дБмВ), определяется формулой

Проверим, сильно ли меняется чувствительность приемника при изменении окружающей температуры. Очевидно, что в последнем выражении от температуры зависит только второе слагаемое а .

При Т = 223 К (-50 °С) а = -175,1 дБм, при Т = 353 К (+60 °С) а= -173,4 дБм. Таким образом, при изменении температуры на 110 °С чувствительность изменилась менее, чем на 2 дБ. Для комнатной температуры Т = 293 К (20 °С) выражение (5.27) можно переписать в упрощенном виде:

ДБм, (5.28)

где Q=10lgq -требуемое отношение сигнал-шум на выходе приемника (коэффициент различимости), дБ.

Для идеального приемника без собственных шумов F = 1, и в полосе 1 Гц пороговая чувствительность, т.е. чувствительность при отношении сигнал-шум на выходе Q p = 0 дБ, равна -174 дБм.

Используя (5.25), при температуре Т = 293 К и входном сопротивлении Rн = 50 Ом чувствительность по напряжению, выраженную в децибелах по отношению к микровольту (дБмкВ), можно вычислить по формуле

Например, чувствительность приемника с полосой пропускания В = 10 кГц и коэффициентом шума NF = 12 дБ при выходном отношении сигнал-шум Q = 10 дБ

U С = 10-61 + 10 lg10000+ 12= 1 дБмкВ, (5.30)

или в микровольтах Uc = 1,08 мкВ,

В англоязычной литературе для обозначения коэффициента шума используются термины noise figure или noise factor, для обозначения чувствительности - sensitivity.

Повышение чувствительности с помощью предварительных усилителей. Любой усилитель воспринимает шумовой сигнал как входной сигнал. При последовательном включении электронных звеньев (каскадов) каждое звено усиливает и сигналы и шумы, прошедшие через предыдущие звенья, добавляя при этом собственный шум.

Определим коэффициент шума последовательного соединения трех звеньев, показанных на рис. 5.15. В соответствии с формулами (5.16) и (5.17) общий коэффициент шума

(5.31)

где G 1 , G 2 , G 3 - коэффициенты усиления по мощности первого, второго и третьего звена; Р ш2 - выходной шум второго звена; Р ш3 - внутренний (собственный) шум третьего звена. Представляя выходной шум второго звена в виде суммы внутреннего шума и усиленного входного шума, а затем аналогично выходной шум первого звена, получим

(5.32)

Рис. 5.15. Последовательное соединение каскадов в РПрУ

Из (5.17) следует что

Подставляя P ВН в (5.32), получим

Выполнив сокращения, получим окончательный вариант коэффициента шума для трех последовательно включенных звеньев:

(5.35)

По аналогии с (5.35) запишем выражение для коэффициента шума для произвольного числа последовательных звеньев:

(5.36)

В литературе последнее выражение называют Формулой Фриса .

Из формулы Фриса видно, что шум всей цепи определяется, в первую очередь параметрами первого звена. Вкладом последующих компонентов практически можно пренебречь, если коэффициент усиления первого звена будет большим.

Следует отметить, что коэффициент шума и коэффициент передачи каждого звена в общем случае будут зависеть от частоты, т.е. иметь различные значения в разных частотных диапазонах. Это означает, что конкретные расчеты можно проводить только в определенных частотных интервалах.

Как правило РПрУ подключается к антенной системе с помощью соединительного кабеля. Как и любой электрический прибор с потерями, коаксиальный кабель имеет собственный уровень шума. При комнатной температуре коэффициент шума коаксиальной линии равен потерям в кабеле. С увеличением частоты потери в коаксиальном кабеле растут, на рис. 5.16 приведены зависимости погонного ослабления (на 1 м длины) от частоты для некоторых марок отечественных коаксиальных кабелей. Как видно из рисунка, величина затухания сигнала в кабеле, а следовательно и его коэффициент шума растут с увеличением частоты передаваемого сигнала. Значения затухания данных гибких коаксиальных кабелей на частоте 1000 МГц находятся в пределах от 0,1 до 0,6 дБ/м, на частоте 2000 МГц - в пределах от 0,2 до 1 дБ/м.

При достаточной длине кабеля его коэффициент шума будет весьма значительным, что резко уменьшит чувствительность радиоприемной системы. Например, если потери в кабеле на частоте 2000 МГц составляют 0,5 дБ/м, то кабель длиной 30 м будет иметь коэффициент шума NF = 15 дБ.

Первым возможным вариантом уменьшения коэффициента шума кабельной линии является использование кабеля с меньшим затуханием. К сожалению, цена подобного кабеля с малыми потерями очень высока.

Вторым возможным вариантом является минимизация длины кабеля или, в идеальном случае, установка РПрУ непосредственно у приемной антенны. Если приемник имеет малые габаритные размеры, то тогда эта задача существенно упрощается, например приемник радио-пеленгационной системы можно разместить непосредственно в основании антенной решетки.

Наконец, третьим возможным вариантом уменьшения влияния коэффициента шума кабеля является применение малошумящего усилителя (МШУ), размещенного в непосредственной близости к приемной антенне (рис. 5.17). Усилитель должен иметь коэффициент шума, не превышающий несколько децибел, а также необходимое усиление.

Пример. Используется МШУ с коэффициентом шума NF1 = 4 дБ и усилением G 1 = 30 дБ, соединительный кабель имеет коэффициент шума NF 2 = 10 дБ и ослабляет сигнал на G 2 = -10 дБ, приемник имеет коэффициент шума NF3 = 12 дБ.

Переведем эти значения в абсолютные единицы. Для МШУ F 1 = 2,512, G 1 = 1000. Аналогично получим для кабеля и приемника: F2 = 0,1; F3 = 15,849.

Рис. 5.17. Пример использования малошумящего предварительного усилителя для уменьшения влияния коэффициента шума кабельной линии

Найдем общий коэффициент шума

или в децибелах NF = 4,3 дБ. Если бы предварительного усилителя не было, то общий коэффициент шума

или в децибелах NF* = 22 дБ. Таким образом, предварительный усилитель с собственным коэффициентом шума NF 1 = 4 дБ и усилением G 1 =30 дБ повысил чувствительность системы на Δ= NF* - NF = 22 - 4,3 = 17,7 дБ.

Возникает вопрос, а как при заданном коэффициенте шума правильно выбрать коэффициент усиления МШУ? С увеличением коэффициента усиления предварительного усилителя G 1 общий коэффициент шума системы асимптотически будет стремиться к его собственному коэффициенту шума.

На рис. 5.18 приведены зависимости коэффициента шума системы от коэффициента усиления МШУ для трех типов соединительного кабеля с коэффициентом шума 5, 10 и 15 дБ. Значения других параметров системы остались без изменений. Из приведенных зависимостей видно, что при использовании кабеля с коэффициентом шума NF 2 = 5 дБ необходимое усиление предварительного усилителя должно быть около 20 дБ, для кабеля с коэффициентом шума 10 дБ необходимо усиление25 дБ, наконец, для кабеля с коэффициентом шума 15 дБ необходимо усиление 30 дБ. При этом очевидно, что дальнейшее увеличение усиления предварительного усилителя практически не улучшает коэффициент шума системы.

Рис. 5.18. Зависимость коэффициента шума системы от коэффициента усиления предварительного усилителя

Если широкополосные сигналы имеют высокий уровень и занимают широкую полосу частот, то предварительный усилитель может перегрузиться. Следовательно, главное внимание нужно уделять его линейности, особенно, если на его входе нет фильтров предварительной селекции. Кроме того, в измерительных системах должен использоваться МШУ с калиброванным усилением, чтобы свести к минимуму погрешности измерения.

Выбор коэффициента усиления предварительного усилителя . Под динамическим диапазоном D приемника (или его отдельных каскадов) понимается отношение уровней максимально возможного и минимально возможного входного сигнала. Обычно динамический диапазон выражается в децибелах, тогда

Минимальные значения уровней обычно равны пороговой чувствительности приемника, максимальные значения определяются допустимым уровнем нелинейных искажений на выходе.

Вернемся к типовой схеме подключения антенной системы к РПУ с помощью соединительного кабельной линии. Как было показано выше, для того чтобы уменьшить вредное влияние собственных шумов кабеля, необходимо сразу после антенной системы устанавливать предварительный усилитель с малым коэффициентом шума. Увеличение коэффициента усиления асимптотически уменьшает общий коэффициент шума системы. Для гипотетического случая, когда коэффициент усиления равен бесконечности, коэффициент шума всей системы будет равен коэффициенту шума усилителя.

В приведенном выше примере МШУ с собственным коэффициентом шума NF 1 = 4 дБ и усилением G 1 = 30 дБ повысил чувствительность системы на Δ = 17,7 дБ, т.е. фактически на эту величину расширил динамический диапазон системы в области, малых значений,

С другой стороны, с увеличением коэффициента усиления динамический диапазон системы в области больших значений уменьшается на разность между коэффициентом усиления усилителя и величиной, на которую расширился динамический диапазон в области малых значений. Например, в рассмотренном выше примере динамический диапазон системы уменьшился на G 1 - Δ = 30 - 17,7 = 12,3 дБ. Из рис. 5.18 видно, что, начиная с некоторой величины, увеличение коэффициента усилений предварительного усилителя практически не приводит к уменьшению коэффициент шума. Следовательно, чтобы избежать чрезмерного уменьшения динамического диапазона, коэффициент усиления предварительного усилителя не должен превышать некоторого необходимого значения, достаточного для получения требуемого коэффициента шума и чувствительности системы. Из рис. 5.18 видно, что если задаться общим коэффициентом шума системы NF ≤ 5 дБ, то при кабеле с N F 2 = 5 дБ коэффициент усиления МШУ G 1 = 20 дБ, для кабеля с NF 2 = 10 дБ G 1 =25 дБ, наконец, для кабеля с коэффициентом шума NF 2 = 15 G 1 =30 дБ.

Многосигнальная избирательность приемника характеризует способность приемника выделять слабый полезный сигнал в присутствии мощных мешающих сигналов, находящихся вне полосы приема, Помехи от этих сигналов возникают в смесителе. Если бы смеситель абсолютно точно перемножал напряжения сигнала и гетеродина, то никаких помех от внеполосных сигналов не возникало бы вообще. Каждый входной сигнал давал бы на выходе смесители свою разностную частоту, и многосигнальная избирательность приемника совпадала бы с односигнальной избирательностью. Реальные смесители такой способностью не обладают. Они, во-первых, смешивают различные входные сигналы между собой так, что один служит гетеродинным сигналом для другого, а это вызывает интермодуляционные помехи; во-вторых, детектируют сигналы, что приводит к перекрестным помехам - переносу модуляции с мешающего сигнала на полезный; в-третьих, детектируют мощный входной сигнал, что приводит к блокировке - изменению коэффициентов передачи линейных каскадов.

Интермодуляционные помехи. Интермодуляция в приемнике - это возникновение помех на выходе радиоприемника при действии на его входе двух и более мешающих сигналов, частоты которых находятся вне основного и побочных каналов приема. Такие помехи называют интермодуляционными. Причина их появления - нелинейность амплитудной функции передачи сигнала активных элементов ВЧ тракта,

Амплитудной характеристикой (АХ) приемника или его отдельных каскадов называется зависимость амплитуды (или действующего значения) выходного напряжения от амплитуды (или действующего напряжения) входного гармонического напряжения постоянной частоты. На рис. 5.19 штриховой линией приведена АХ идеального тракта, сплошной - АХ реального тракта

Характеристика реального тракта разбивается на следующие участки: участок суперпозиции сигнала и шумов (помех) - I (между точками E Ш и Uвх min), линейный участок - II (между точками Uвх min и Uвх mах), участок перегрузки - III (между точками Uвх mах и Е вх компр).

Амплитудные характеристики идеального и реального трактов совпадают на линейном участке II. На этом участке АХ - прямая линия, угол наклона которой определяет коэффициент передачи тракта по напряжению.

Рис. 5.19. Амплитудная характеристика тракта

На участке II AX реального тракта не проходит через начало координат. Даже при Uвх = 0 на выходе тракта имеется некоторое напряжение Un, обусловленное действием флуктуационных шумов и помех в тракте.

На участке III АХ реального тракта отстает от АХ идеального тракта, что связано с перегрузкой реального тракта при больших уровнях входного сигнала. Для нормальной работы тракта должно соблюдаться условие Uвx.min < U< Uвx.max.

Рассмотрим влияние нелинейности функции передачи аналогового тракта на изменение амплитуды полезного сигнала.

Аппроксимация коэффициента передачи тракта весьма сложна, но основные закономерности нелинейных преобразований можно уяснить, если воспользоваться простой моделью в виде нелинейного четырехполюсника, у которого вольтамперная (амплитудная) характеристика, т.е. зависимость тока выходного сигнала от напряжения входного, имеет вид степенного многочлена:

Для анализа возникающих в результате нелинейного преобразования комбинационных составляющих ограничимся кубичным полиномом:

(5.41)

В качестве мгновенного значения входного сигнала u вх примем сумму двух сигналов:

Подставив выражение (5.42) в (5.41), после возведения в степень получим

(5.43)

Используя известные тригонометрические соотношения:

(5.44)

Формулу (5.43) преобразуем к виду

(5.45)

Следует отметить, что использование кубичного полинома для аппроксимации коэффициента передачи радиоприемного тракта позволяет проиллюстрировать возникновение гармоник и новых частотных составляющих, но не обеспечивает корректное вычисление амплитуд этих составляющих, соответствующих практическим амплитудным характеристикам. В технической литературе рассматриваются более сложные методы анализа нелинейных преобразований, например базирующиеся на использовании рядов Вольтера .

Тем не менее, рассмотренный пример показывает, что в спектре тока, текущего через нелинейный элемент, характеристика которого задается полиномом третьей степени, помимо составляющих на частотах ω 1 и ω 2 , возникают дополнительные спектральные составляющие, частоты которых представлены в табл. 5.1.

Таблица 5.1-Комбинационные составляющие

Порядок комбинационной частоты N

Частоты спектральных компонентов на выходе нелинейного элемента принято называть комбинационными частотами. Комбинационные частоты задаются выражением вида

где n - любые положительные и отрицательные целые числа, включая нуль.

Рис. 5.20. Продукты интермодуляции второго и третьего порядков.

Комбинационные частоты принято группировать, объединяя вместе все частоты, для которых

(5.47)

Число N называют порядком комбинационной частоты. Существует закономерность : слагаемое со степенью N в нелинейной характеристике тракта обусловливает появление комбинационных составляющих с предельным порядком, равным N. Если N четное число, то возникают комбинационные составляющие четных порядков: N, N-2, N-4 вплоть до постоянной составляющей N = 0. Если N нечетное число, то порядки комбинационных частот также нечетны: N, N-2, N-4 вплоть до N = 1.

Интермодуляционные характеристики являются крайне важными показателями для определения качества, так как в большинстве случаев приемник вынужден работать в сложной электромагнитной обстановке в присутствии сильных мешающих сигналов на других частотах,

На рис. 5.20 показано возможное расположение интермодуляционных составляющих второго и третьего порядков, возникающих при подаче на вход тракта двух синусоидальных сигналов равного уровня.

Как видим, продукты с четным порядком образуются дальше по оси частот от входных сигналов, чем продукты с нечетным порядком.

Большее значение для приемника имеют параметры, характеризующие количественно соотношение полезного сигнала и интермодуляционных составляющих.