РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА – ЧАСТЬ 2

November 3, 2011 by admin Комментировать »

Сфера применения цифровой обработки сигналов непрерывно расширяется; она используется в приемниках систем связи и в телевизионных приемниках. Разрабатываются устройства цифровой обработки сигналов для радиовещательных приемников, что позволит существенно повысить качество воспроизведения передаваемых программ.

В последнее десятилетие наиболее интенсивно в радиоприемную аппаратуру связи и вещания внедряются цифровые методы управления приемниками. Управление приемником, которое в моделях старого типа осуществлялось главным образом ручной плавной настройки и ручкой или тастатурой переключателя диапазонов, в новых моделях чаще сенсорное, напоминающее управление электронным калькулятором. Ценное свойство цифрового управ^ ления радиовещательными приемниками состоит в сравнительной простоте дублирования тастатуры, расположенной на лицевой панели, дистанционным управлением. Для этой цели разработаны и применяются цифровые устройства беспроводного дистанционного управления, использующие инфракрасное излучение. Дистанционное управление повышает комфортность пользования дорогой .стационарной аппаратурой с вынесенными акустическими блоками для высококачественного стереофонического воспроизведения: слушатель управляет приемником или всем комплексом аппаратуры, оставаясь в том месте своей комнаты, где по его мнению достигается наилучшее качество звука. В системах радиосвязи внедрение цифровых методов управления приемниками, в частности приемниками декаметровых волн для магистральной связи,

создает предпосылки для комплексной автоматизации приемных центров.

Примером замены аналоговых цепей и процессов цифровыми может служить развитие системы поисковой автоматической настройки приемников. В аналоговом варианте такой системы перестройка приемника во время поиска сигнала осуществлялась подачей пилообразного напряжения на варакторы (емкостные диоды) в колебательном контуре гетеродина. При попадании сигнала в полосу пропускания усилителя промежуточной частоты (УПЧ) импульсы от частотного детектора останавливают поиск и устройство переходит в режим автоматической подстройки. В цифровой системе на смену частотному детектору, в котором частота принимаемого сигнала сравнивается с резонансной частотой колебательного контура, приходит цифровой компаратор напряжений. Здесь используется однозначное соответствие между частотой настройки и настроечным напряжением на варакторах приемника. В АЦП настроечное напряжение преобразуется в число, которое в цифровом компараторе сравнивается с числом, со» ответствующим заданной настройке. Результат сравнения определяет дальнейшее действие автоматических устройств.

Подобным же образом в последние годы были перенесены в вещательные приемники методы стабилизации частот, синтеза частот, цифровой настройки и цифровой индикации частот, первоначально разработанные и внедренные в приемных устройствах магистральной радиосвязи декаметрового диапазона. Самое значительное среди этих изменений, характерных для нового поколения приемников, — изменение способа настройки. Система настройки, просуществовавшая шесть десятилетий, предполагает поиск сигнала радиостанции по максимуму его напряжения, причем критерием точности настройки были слух человека либо стрелочный или электронный индикатор напряжения. Очевидно, что в этом случае относительно точная настройка возможна только после того, как принимаемая радиостанция уже начала работу. Стабильность настройки может поддерживаться цепью автоматической подстройки (АПЧ), которая также действует только пока присутствует принимаемый сигнал. Кроме того, действие АПЧ ухудшается при наличии помех. Возможности автоматизации управления приемником при старой системе настройки ограничены.

Коренное отличие нового способа настройки состоит в том, чта критерием ее правильности служит не уровень сигнала, а известная частота принимаемой станции. Более высокая степень принципиальной корректности этого способа определяется тем, что при действующих высоких нормах стабильности передающих радиостанций именно частота характеризует принимаемый сигнал. Осуществимости и реализации преимуществ нового способа в большой мере способствовала согласованность его с цифровыми методами управления, которые предпочтительны по отмечавшимся причинам.

Источником опорной частоты в системе настройки с синтезом частот служит кварцевый генератор с достаточно высокой долговременной стабильностью. Гетеродин преобразователя частоты в приемнике, как и в описанной ранее системе поисковой автоматической настройки, настраивается напряжением, которое поступает через интегрирующую цепь от фазового компаратора. На входы компаратора подаются напряжения от гетеродина — через делитель частоты с переменным коэффициентом деления и от опорного генератора — через постоянный делитель. В этой системе, получившей в настоящее время наибольшее распространение, частота гетеродина, определяемая коэффициентом деления переменного делителя, стабилизируется цепью фазовой автоматической подстройки (ФАПЧ). Изменение коэффициента деления на то или иное число единиц вызывает изменение частоты на такое же число шагов. Шаг изменения частоты выбирается в зависимости от рабочего диапазона равным 10 кГц (MB ЧМ), либо 1 кГц (AM), либо любым другим. Управление частотой во многих новых моделях приемников осуществляется через микро- ЭВМ непосредственно с панели приемника и через устройство дистанционного управления. Процессы настройки, поиска, остановки поиска и запоминание фиксированных настроек на выбранные радиостанции выполняются с помощью соответствующих цифровых цепей.

Благодаря наличию высокостабильного опорного генератора приемник дополнительно можно совмещать с электронными часами, дисплей которых, выполненный на светодиодах или жидких кристаллах, располагают на панели управления приемника. Это позволяет реализовать программное управление во времени: дополнительная программа, введенная в ЗУ микро-ЭВМ, обеспечивает автоматическое включение и выключение приемника в заданное время и прием заданной программы. Микро-ЭВМ является программируемым универсальным блоком управления, позволяющим выполнять много разнообразных функций. Например, помимо перечисленных процессов она может автоматически регулировать тембр путем изменения частотной характеристики тракта звуковой частоты раздельно на верхних и нижних частотах, а также обеспечивать наглядное отображение режимов и характеристик приемника на электронных табло.

Примером реализации характернейших достижений последнего десятилетия может служить первый отечественный всеволновый тюнер «Адажио», рассчитанный на высокое качество воспроизведения звука. Он содержит синтезатор частот, электронное ЗУ на 15 фиксированных настроек, тастатуру для цифровой настройки и автоматической настройки на выбранные станции, буквенно-цифровой дисплей. Чувствительность приемника AM и ЧМ соответственно 25 и 1 мкВ, избирательность по зеркальному каналу с AM не хуже 50 дБ, с ЧМ 110 дБ; коэффициент гармоник 0,1% (моно) и 0,2% (стерео) на частоте 1 кГц в диапазоне MB.

По этим показателям новый приемник соответствует уровню лучших мировых образцов, его основные схемотехнические особенности будут реализованы также в тюнерах «Ласпи-004-стерео» и «Ласпи-005-стерео».

Приемники декаметровых волн для магистральной связи работают в широких диапазонах частот, в сложной помеховой обстановке, в условиях многолучевости, что вызвало значительные изменения в их схемотехнике за последнее десятилетие. В этих приемниках широко внедрена система точной настройки с синтезом, цифровым набором и цифровой индикацией частоты, обладающая высокой разрешающей способностью. Однако наиболее значительное изменение структуры нового поколения таких приемников по сравнению с традиционной связано с отказом от узкополосного преселектора за счет применения двойного преобразования частоты и высокой (40 … 80 МГц) первой промежуточной частоты. Основное преимущество такого приемника — инфрадина — отсутствие необходимости в переключателе поддиапазонов, а реализация этого принципа стала возможной благодаря внедрению декадных синтезаторов частот с высокостабильными опорными кварцевыми генераторами.

Особенность инфрадина состоит в широкой полосе пропускания тракта радиочастоты, охватывающей весь диапазон частот принимаемых сигналов. На входе таких приемников применяют простые субоктавные фильтры и фильтр нижних частот. Очевидно, что в условиях сильной загруженности полос радиочастот сигналами мощных радиостанций прием без узкополосного преселектора возможен только при чрезвычайно высокой линейности широкополосного усилителя радиочастоты и преобразователя частоты. В радиотехнике накоплен значительный опыт конструирования линейных широкополосных усилителей: они уже давно применяются в системах радиовещания с коллективными антеннами, в системах многократного использования антенн в декаметровой радиосвязи, в многоканальной радиорелейной связи и др. Тем не менее работы в этом направлении остаются актуальными и должны продолжаться.

Как уже отмечалось, основой технического развития приемников, приведшего к значительным изменениям их конструкций и характеристик, явилось быстрое совершенствование элементной базы и прежде всего успехи полупроводниковой электроники и интегральной технологии. В радиоприемниках ИС начали применять еще в позапрошлом десятилетии. Тогда это были относительно простые ИС, выполнявшие функции одного из каскадов приемника. В дальнейшем были разработаны ИС с большими функциональными возможностями, состоящие из нескольких взаимодействующих функционально законченных каскадов. Применение таких ИС в значительной степени упростило конструирование приемников, улучшило технологичность сборки, что в конечном счете удешевило приемники и повысило их надежность.

Однако главное преимущество применения ИС состоит в том, что при конструктивных и технологических упрощениях оно позволило в значительной степени усложнить схему приемника, чтобы повысить его качественные показатели. Это можно проиллюстрировать на примере ИС серии К174, предназначенной для телевизионных приемников цветного изображения. Серия содержит усилители звуковой частоты, усилитель сигнала яркости, УПЧ канала изображения, УПЧ канала звука, селектор и генератор строчной развертки, устройства выделения цветоразностного сигнала и получения R, G, В цветовых сигналов.

Унифицированный полупроводниковый интегральный модульный цветной телевизор УПИМЦТ-61-2 («Рубин Ц-202» и др.) содержит 16 ИС, из которых 8 —серии К174, 6 — серии К155 и 2 — серии К224. Так, канал звука собран всего лишь на двух ИС К174УР1 и К174УН7, которые включают УПЧ канала звука, ограничитель, частотный детектор, предварительный усилитель и усилитель мощности звуковой частоты. Модуль УПЧ изображения в этом телевизоре выполнен на одном транзисторе и одной ИС 174УР2Б, которая, выполняя функции УПЧ, содержит амплитудный синхронный детектор, систему автоматической регулировки усиления, усилитель сигнала изображения и вспомогательную компенсационную схему противотемпературных изменений. При этом ИС 174УР2Б содержит свыше 50 транзисторов, 20 диодов и около 100 резисторов. Для сравнения отметим, что УПЧ изображения в одной из предыдущих моделей телевизора имел значительно худшие-характеристики, так как был выполнен всего на 7 транзисторах. В рассмотренной же схеме только синхронный детектор собран на 15 транзисторах и 7 диодах. Применение более совершенного синхронного детектора позволило осуществить линейное детектирование не только сильных, но и слабых сигналов, увеличить помехоустойчивость приемника, что существенно улучшило качество изображения. Многофункциональные аналоговые ИС разрабатываются не только для телевизионных приемников. Так, ИС К174ХА10 включает весь AM — ЧМ тракт радиовещательного приемника.

Под влиянием достижений микроэлектроники постепенно отпадают ограничения схемотехнической сложности для творческой мысли и инициативы разработчика массовой радиоприемной аппараты. Если на начальном этапе радиовещательный приемник, содержавший два-три десятка транзисторов, представлялся чрезмерно сложным для массового производства и применения, то для выпускаемых сейчас приемников достаточно типичны такие количественные характеристики, как 10—15 ИС (их число сокращается по мере возрастания степени интеграции), 70—80 дискретных транзисторов и 50—70 диодов разных типов и назначений; при этом число транзисторов в ИС достигает уже сотен и даже тысяч.

Устранению психологического барьера, связанного с понятием сложности проектируемой аппаратуры, особенно способствовало быстрое совершенствование характеристик, расширение номенклатуры и увеличение выпуска цифровых ИС средней и большой степени интеграции, которые выполняют функции логических устройств, элементов арифметических и дискретных устройств, ЗУ, устройств сечекции и сравнения, электронных ключей, преобразователей и др. На их основе созданы миниатюрные и недорогие цифровые фильтры, ЗУ и другие элементы систем цифровой обработки сигналов, устройства для синтеза управляющих напряжений электронной настройки и устройства для синтеза частот, цифровые частотомеры, индикаторы частоты и времени, АЦП и цифровые программно-управляющие устройства и т. д. Например, в декадном синтезаторе частоты, о принципе работы которого уже говорилось, делитель частоты с переменным коэффициентом деления, а также устройство управления им (программатор) реализуется с использованием цифровых ИС. Один из таких синтезаторов связного приемника имеет следующие параметры: выходной сигнал — сетка из 600 частот через 25 кГц в диапазоне 800 МГц, нестабильность частот 2-10~6, объем 50 см3.

Логическим продолжением и развитием существующей тенденции ко все более широкому внедрению цифровых методов обработки сигналов и управления приемниками на базе дискретной микросхемотехники является расширяющееся применение микропроцессоров. Современные приемники весьма сложны в управлении. Например, при перестройке приемника или адаптировании его к помеховой обстановке необходимо одновременно переключать избирательные цепи, управлять синтезатором, включать системы помехозащиты, причем в приемниках систем связи и радиолокационных на все эти операции отводятся в лучшем случае миллисекунды. Очевидно, что выполнить перечисленные операции за столь короткое время могут только автоматы, которые и строятся на основе микропроцессоров.

С помощью микропроцессоров осуществляется программное управление приемниками, настройка на частоты, зафиксированные в ЗУ приемника, автоматическая панорамная перестройка, проверка приемного тракта и диагностика неисправностей, а также другие операции.

Другая тенденция развития элементной базы радиоприемных устройств в последнее десятилетие связана с широко проводимыми исследованиями и разработками компонентов и узлов, построенных на новых физических явлениях или схемотехнических принципах. Сюда относят цепи с зарядовой связью, оптроны, аку- стооптические устройства, многофункциональные элементы на поверхностных акустических волнах (ПАВ), генераторные и преобразовательные диоды СВЧ, пьезокерамические и активные фильтры в интегральном исполнении и многие другие. Широкое внедрение этих радиокомпонентов и узлов может оказать значительное влияние на схемотехнические и конструктивные решения при разработке приемной аппаратуры.

В последнее время в радиоприемных устройствах все чаще применяют радиокомпоненты на ПАВ. Из всего многообразия устройств на ПАВ наиболее распространены полосовые фильтры. Конструктивно фильтр состоит из пластинки, служащей средой для распространения ПАВ, с нанесенной на ее поверхность системой металлических штыревых электродов. В качестве материала для пластинки используется кварц, ниобат лития, танталат лития и другие материалы, обладающие пьезокерамическими свойствами. Амплитудно-частотная характеристика такого фильтра определяется топологией штыревых электродов, которые наносятся на пластину, например, фотоспособом. Благодаря этому достигается очень высокая повторяемость и стабильность параметров амплитудно-частотной характеристики фильтров. Полосовые фильтры на ПАВ имеют весьма небольшие габариты. Так, фильтр, предназначенный для УПЧ радиовещательного приемника ЧМ сигналов (10,7 МГц), выполнен на кварцевой пластине размером 19X7,5X2 мм. С ростом частоты габариты фильтров уменьшаются, поэтому более выгодно употреблять их на частотах в несколько десятков и сотен мегагерц.

Очень перспективно использование устройств на ПАВ в качестве фильтра сосредоточенной селекции в УПЧ телевизионных приемников (промежуточная частота 38 МГц). Такой фильтр имеет весьма сложную амплитудно-частотную характеристику и в обычном исполнении (на LC-контурах) содержит 6 подстраиваемых катушек индуктивности, 17 конденсаторов и 5 резисторов. Кроме того, он требует тщательной регулировки в процессе настройки телевизора, а также подстройки в процессе эксплуатации. От всех этих недостатков свободен фильтр на ПАВ, такой, например, какой применен в телевизионном приемнике «Горизонт Ц-250».

С использованием ПАВ выполняются не только линейные фильтры приемников, но и демодуляторы. Так, в одном из устройств, аналогичном фильтру на ПАВ, скорость распространения акустических волн линейно зависит от частоты, что используется для демодуляции ЧМ сигналов. Основное преимущество такого демодулятора по сравнению с традиционными заключается в возможности демодуляции одновременно до нескольких десятков сигналов при малых перекрестных искажениях, а также в компактности и малой потребляемой мощности.

В развитии микроволновой (включающей диапазоны от дециметрового до децимиллиметрового) приемной техники в последнее десятилетие прослеживаются два основных направления, связанных с совершенствованием элементной базы и полупроводниковой технологии: микроминиатюризация узлов радиотракта приемников сантиметрового диапазона и продвижение супергетеродинного принципа построения приемников в миллиметровый и децимиллиметровый (оптический) диапазоны. Значительные достижения в этих областях обусловлены быстрым совершенствованием характеристик малошумящих полевых транзисторов с барьером Шотки, смесительных диодов с барьером Шотки (ДБШ), твердотельных генераторов сантиметрового, миллиметрового и оптического диапазонов, а также с интенсивным развитием технологии гибридных и монолитных ИС СВЧ на основе арсенида галлия (GaAs).

Физические свойства применяемых в электронике полупроводниковых материалов и особенности технологии изготовления транзисторов на их основе таковы, что наилучшими частотными, шумовыми, усилительными и энергетическими параметрами на СВЧ обладают полевые транзисторы на GaAs с барьером Шотки в качестве затвора, на полуизолирующей подложке (ПТБШ). Разработаны усилители на ПТБШ с коэффициентом шума при комнатной температуре не более 0,5, 1,5 и 2 дБ на частотах соответственно 4, 8 и 12 ГГц. Такие усилители выполняются в виде гибридных или монолитных ИС на основе GaAs, содержат обычно два-три каскада по схеме с общим истоком, непосредственной межкаскадной связью, простейшими цепями внутрикаскадной и общей отрицательной обратной связи, обладают усилением 10… …30 дБ, весьма широкой полосой пропускания. Эти модули могут использоваться и в качестве усилителей радиочастоты в приемниках сантиметрового диапазона, и в качестве УПЧ в приемниках миллиметровых и децимиллиметровых волн. Они вытесняют более сложные и дорогие параметрические усилители из многих приемных устройств сантиметрового диапазона, особенно бортовых. Появление арсенид-галлиевых ИС СВЧ, в которых все каскады — усилитель -радиочастоты, смеситель, гетеродин, УПЧ — выполнены на ПТБШ, создает предпосылки для комплексной микроминиатюризации микроволновой связной и радиолокационной приемной аппаратуры.

Охлаждаемые параметрические усилители и квантовые парамагнитные усилители — мазеры, требующие для работы громоздкой, сложной и энергоемкой криогенной системы охлаждения или криостата, продолжают применяться лишь в приемниках с предельно низкой шумовой температурой: первые — в наземных пунктах космической связи, вторые — в крупных радиотелескопах.

В большинстве приемников миллиметрового и оптического диапазонов допустимы несколько менее жесткие требования к шумовой температуре. В них в качестве входного каскада все шире применяются смесители на малошумящих ДБШ. Обладая лучшим контактом металл — полупроводник, чем точечно-контактные диоды, арсенид-галлиевые ДБШ имеют меньший коэффициент шума и меньшее сопротивление потерь, но за счет большего значения контактной разности потенциалов требуют большей мощности гетеродина. ДБШ с балочными выводами удобны для микропо- лосковых схем, бескорпусные — для волноводных конструкций миллиметрового диапазона и открытых квазиоптических структур. В одном из приемников, например, работающем в диапазоне волн от 170 мкм до 1 мм, смеситель выполнен на специально разработанном ДБШ диаметром 1 мкм. В качестве гетеродина используется инфракрасный лазер с оптической накачкой от лазера на С02. Энергия сигнала и гетеродина подается на диод смесителя с помощью квазиоптической структуры; эквивалентная шумовая температура приемника на частоте 670 ГГц около 103 К> а на частоте 300 ГГц — на порядок ниже.

В зависимости от назначения, технических требований и частотного диапазона при построении смесителей используются разнообразные технические решения: однотактные, балансные, двух- балансные (на 4 диодах), с восстановлением зеркальной частоты, с подавлением зеркального канала. Монолитные ИС смесителей на высокоомном GaAs в сочетании с малошумящими УПЧ на ПТБШ открывают возможность микроминиатюризации приемников миллиметрового диапазона. Другим достоинством смесителей на ДБШ, особенно важным в условиях ограниченной мощности твердотельных источников колебаний миллиметрового и децимил- лиметрового диапазонов, является сравнительно высокая эффективность работы на гармониках частоты гетеродина. За счет высокой нелинейности и уменьшенного сопротивления потерь ДБШ потери преобразования в таких смесителях возрастают с увеличением номера гармоники значительно медленнее, чем в смесителях на точечно-контактных диодах.

Энергетические, шумовые и частотные характеристики гетеродинов и генераторов накачки существенно влияют на основные показатели микроволновых приемников. Последнее десятилетие характеризуется значительным совершенствованием параметров твердотельных источников колебаний сантиметрового и миллиметрового диапазонов, которые можно использовать в качестве гетеродинов и генераторов накачки параметрических усилителей, причем происходит вытеснение доминировавших ранее транзисторно- варакторных цепочек с кварцевой стабилизацией задающего генератора автогенераторами СВЧ, стабилизированными с помощью высокодобротных диэлектрических резонаторов, с использованием систем ФАПЧ или захватывания частоты. Основными источниками гетеродинной мощности стали автогенераторы с низким уровнем шумов на ПТБШ и диодах Ганна (ДГ) в сантиметровом диапазоне и на ДГ — в миллиметровом. Все шире используется режим работы таких автогенераторов с отбором мощности на частоте одной из гармоник невысокой кратности. Это позволяет значительно расширить частотные возможности имеющихся активных элементов, особенно в сочетании с преобразованием частоты на гармониках.

Основными источниками мощности накачки в обоих указанных диапазонах становятся автогенераторы на кремниевых и ар- сенид-галлиевых лавинно-пролетных диодах (ЛПД), обладающих (особенно в миллиметровом диапазоне) энергетическими преимуществами перед другими полупроводниковыми приборами СВЧ.

Использованию автогенераторов на ЛПД в качестве гетеродинов препятствует высокий уровень шумов этого прибора. Ведутся также работы по поиску других способов переноса высокостабильных частот в миллиметровый диапазон. В частности, изучаются возможности и режимы «искажающего» (без генерации) умножения частоты на ДГ и ЛПД с использованием особенностей этих приборов как элементов с динамическим отрицательным сопротивлением.

Как следует из сказанного, развитие радиоприемной техники за последние десять лет характеризуется прежде всего существенными качественными сдвигами как в улучшении параметров и характеристик радиоприемных устройств, так и в усовершенствовании их схемотехники и элементной базы. Этот качественный сдвиг наложил отпечаток на развитие многих радиоэлектронных систем — связи, радиолокации, радионавигации, теле- и радиовещания. Применение сложных сигналов и соответствующих устройств их обработки в приемниках позволило значительно повысить качество работы систем, реализовать недостижимые ранее характеристики и параметры.

Говоря о перспективах развития радиоприемных устройств в ближайшие годы, надо отметить, что перечисленные основные тенденции, по-видимому, сохранятся. Так, процесс усложнения радиоприемных устройств, несомненно, пойдет еще более высокими темпами. Безусловно, будет продолжаться внедрение в радиоприемные устройства ИС, главным образом больших и сверхбольших, в том числе микропроцессорных. Это, в свою очередь, обусловит разработку новых принципов создания приемных устройств, новых методов обработки сигналов, резкое возрастание уровня автоматизации приемников. В сочетании с освоением новых диапазонов, в первую очередь оптического, это приведет в ближайшие годы к разработке радиоприемных устройств, обладающих высокими радиотехническими и эксплуатационными параметрами.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты