Проектирование и расчет структурной схемы радиоприемника

Проектирование и расчет структурной схемы радиоприемника

Москва 2005 г.

Техника радиовещания на УКВ с частотной модуляцией (ЧМ) начала развиваться с 30-х годов, когда были обнаружены высокая помехоустойчивость и высокое качество сигнала при этом виде модуляцию. Частотная модуляция относится к широкополосным видам модуляции, при которых излучаемая передатчиком полоса частот намного превышает полосу частот модулирующего звукового сигнала. Происходит как бы «обмен» полосы на отношение сигнал-шум, которое может достигать на выходе ЧМ детектора от –70 до –80 дБ. В связи с этим максимальную девиацию частоты радиовещательных передатчиков устанавливают равной 60 кГц (в РФ) или 75 кГц (в США). Полоса частот, занимаемая станцией в эфире, получается более 100 кГц, поэтому вещание с ЧМ ведется только на УКВ. Ширина радиовещательного УКВ диапазона в РФ (65, 8 – 73 МГц) втрое превосходит суммарную ширину участков, отведенных для радиовещания в диапазонах ДВ, СВ, и КВ.

Ультракороткие волны слабо огибают земную поверхность, а так же препятствия, встречающиеся на пути их распространения. Поэтому радиус действия УКВ ЧМ передатчиков обычно превосходит 70 – 100 км. Даже в зоне «радиовидимости» встречаются области глубокой «тени» со слабой напряженностью поля. Тем не менее, УКВ радиовещание полностью оправдано в городах и густонаселенных местностях, где построена густая сеть УКВ радиостанций и ретрансляторов. Эпизодически возможен и дальний прием УКВ станций, обусловленных сверхрефракцией радиоволн в тропосфере или другим причинам, например, отражением от спорадических ионосферных образований.

Одновременно с количественным развитием сети УКВ вещания происходил и качественный процесс – непрерывное совершенствование техники УКВ приема. Сверхрегенераторы применявшиеся ранее, виду их исключительной простоты, были полностью заменены супергетеродинными приемниками. Классическая структурная схема супергетеродинного приемника, включающая УВЧ, преобразователь частоты, УПЧ с большим коэффициентом усиления, ограничитель, частотный детектор (ЧД) и УПЧ существует без заметных изменений уже более полувека. Изменялась лишь элементная база – лампы уступили место транзисторам, затем интегральным микросхемам, с развитием стерео вещания добавился стерео декодер. Эта же структурная схема используется и во вех современных УКВ приемниках, выпускаемых промышленностью.

Попытки улучшить качество работы и помехоустойчивость приемника ЧМ привели к усовершенствованию всех перечисленных элементов структурной схемы приемника. Были созданы малошумящие высокочастотные каскады с большим динамическим диапазоном, тракты ПЧ с монолитными пьезокерамическими фильтрами УНЧ с большой выходной мощностью и пренебрежимо малыми частотными и нелинейными искажениями. В наименьшей степени этот процесс затронул «классический» частотный дискриминатор (ЧД) или детектор отношений.

Предпринимались поиски новых технических решений, улучшающих УКВ прием. Основные изобретения были сделаны в конце 30-х годов, однако, из-за слабого развития техники они долго не получали распространения. К этим изобретениям относятся отрицательная обратная связь по частоте (Чеффи, 1937), следящий фильтр (Виницкий, 1940), приемник с синхронно-фазовым ЧД (Кросби, 1938). Если первые два изобретения лишь улучшают параметры приемника ЧМ, причем, основные узлы структурной схемы, включая ЧД, остаются неизменными, то синхронно-фазовый детектор отличается принципиально – в нем используется техника синхронного детектирования ЧМ сигнала.

Синхронный прием был известен еще раньше – пионерами применения этой техники для детектирования АМ сигналов были Бельсиз, во Франции и Момот, в СССР, намного опередившие в своих работах уровень техники того времени. Однако, практическое развитие техника синхронного приема получила лишь с появлением систем фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), обеспечивающих синхронизацию гетеродина приемника.

Система ФАПЧ включает: фазовый детектор, фильтр нижних частот, усилитель и управляемый напряжением гетеродин. В процессе работы фазовый детектор вырабатывает сигнал ошибки слежения. Этот сигнал, пройдя через фильтр и усилитель, подстраивает частоту гетеродина под частоту сигнала до точного их совпадения. Если частота выходного сигнала модулирована, то управляющее напряжение изменяется в такт с модуляцией, т.е. является продетектированным сигналом.

В настоящее время системы ФАПЧ нашли применение в самых различных областях техники: в синтезаторах частоты для выделения нужной гармоники из сложного спектра, в различных следящих системах, в цепях синхронизации телевизионных приемников и даже в устройствах стабилизации частоты вращения диска электропроигрывателей.

Что касается систем связи, то выделение несущих, тактовых и синхронизирующих частот осуществляется чаще всего системами ФАПЧ. Так, например, в наземных станциях спутниковой системы связи «Орбита» для демодуляции ЧМ сигнала используется система ФАПЧ.

К идее использования обратной связи по частоте (ОСЧ) следящих фильтров (СФ) и синхронно-фазовых детекторов (СФД) для радиовещательного ЧМ приема вернулись в 60-х годах, когда возможности совершенствования «классического» тракта ПЧ и ЧД приемника были практически исчерпаны. Теоретическими работами было показано, что ОСЧ и СФ в случае широкополосных, а СФД, в случае сравнительно узкополосных (типа радиовещательных) ЧМ сигналов практически реализуют потенциальную, т.е. пр