7. Радиоприемные устройства, как рецепторы помех

Привет, Вы узнаете о том , что такое рецепторы помех , Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое рецепторы помех , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электромагнитная совместимость.

7.1 Характеристики ЭМС приемных устройств

Электромагнитная совместимость совокупности передающих (излучающих) и воспринимающих устройств определяется не только электромагнитной обстановкой в местах расположения антенн рецепторов но и восприимчивостью последних к электромагнитному полю помехи.

Основным каналом приема называют полосу частот, предназначенную для приема полезного сигнала. Ширину этой полосы B_R обычно определяют на уровне 3 дБ по отношению к значению характеристики частотной избирательности на частоте полезного сигнала (частоте настройки приемника). Идеальный приемник-рецептор должен иметь только один основной канал приема.

Мерой линейности основного канала приема является его динамический диапазон, при котором коэффициент нелинейных искажений равен допустимому значению, а отношение сигнал/шум на выходе Q_вых равно заданной величине

где E_макс и E_мин - максимальная и минимальная амплитуда полезного сигнала на входе на частоте настройки приемника f_0R .

В реальных условиях, кроме основного канала приема имеются также нежелательные, неосновные каналы, в полосах частот находящихся за пределами полосы основного канала.

Причем помехи, ухудшающие условия ЭМС, могут проникать на выход приемника, как через основной канал приема, так и через неосновные каналы. Кроме того, частота помехи может не совпадать с частотами основного и неосновных каналов приема, а ее уровень может достигать такой величины, что в каскадах приемника возникают нелинейные эффекты блокирования, перекрестной модуляции и интермодуляции.

Восприимчивость радиоприемного устройства – это свойство устройства реагировать на электромагнитные помехи, воздействующие через антенну и помимо нее, и зависит от чувствительности и избирательности приемника по основному и неосновным каналам приема. Такое воздействие может осуществляться и через экраны, а также по цепям питания и коммутации.

К параметрам, определяющим восприимчивость радиоприемного устройства, относятся:

• чувствительность основного канала приема;
• чувствительность побочных каналов приема;
• избирательность;
• нелинейные эффекты блокирования, перекрестных искажений и интермодуляции; - коэффициенты сетевых помех, электрической индукции и переноса радиопомех.

Способность приемника выделить полезную компоненту из совокупности составляющих сигнала на входе, называют избирательностью.

Различают несколько видов избирательности:

• временная избирательность;
• амплитудная избирательность; - частотная избирательность; - фазовая избирательность.

Характеристика частотной избирательности - это зависимость уровня сигнала на входе радиоприемника от частоты при заданном отношении сигнал-шум или уровне сигнала на его выходе. В радиоприемниках супергетеродинного типа избирательность по основному и неосновным каналам приема определяется высокочастотными (ВЧ) каскадами (рис. 7.1)

Рисунок 7.1  Функциональная схема ВЧ части приемника

На рис. 7.2 показан пример односигнальной типовой характеристики избирательности супергетеродинного приемника, которая описывает избирательные свойства приемника в линейном или близком к нему режимах работы.

Рисунок 7.2  Характеристика частотной избирательности

При многосигнальном воздействии частотная избирательность характеризует способность приемника выделять полезный сигнал на фоне собственных шумов и мешающих радиосигналов, действующих на его входе. Она определяется отношением амплитуд одновременно поступающих на вход приемника сигналов на одной или нескольких заданных частотах и на частоте настройки приемника при заданном отношении мощности полезного сигнала и составляющих помехи на его выходе.

Ширину полосы основного канала приема B_R обычно выбирают равной необходимой ширине полосы частот B_н с учетом допустимого частотного рассогласования Δf в обе стороны от частоты настройки

где и относительная нестабильность частот настройки передатчика и приемника, соответственно.

Идеальная характеристика избирательности в пределах основного канала приема, в отличие от показанной на рис. 7.2, будет иметь прямоугольную форму. В этом случае составляющие полезного сигнала попадут на выход приемника без ослабления, а помехи за пределами этой полосы полностью подавятся. Представление о близости реальной и идеальной характеристик избирательности дает коэффициент прямоугольности.

Коэффициентом прямоугольности по уровню X (дБ) называют отношение ширины полосы частот на уровне , к ширине полосы частот на уровне 3 дБ (для радиовещательных приемников обычно X = 60 дБ, для приемников фиксированной службы X = 30 дБ).

k_X = B_X / B_R .

Приемник имеет хороший коэффициент прямоугольности, если k₆₀ = 2...4 и низкий, если k₆₀ 8.

Внеполосные (соседние) каналы приема - примыкают непосредственно к основному каналу приема. Эти каналы образуются в усилителях промежуточной и высокой частоты и обусловлены недостаточной избирательностью соответствующих трактов. Величина ослабления помех, проникающих из соседних каналов, нормируется. Так, для бытовых АМ радиоприемников нормы требуют, чтобы односигнальная избирательность по соседнему каналу, определяющая ослабление помехи, составляла не менее 26…56 дБ, в зависимости от класса приемника.

Побочные каналы приема – это полосы частот, находящиеся за пределами основного канала приема, в которых помехи могут проникать на выход приемника. К побочным относят следующие каналам приема. Побочные каналы приема (рис. 7.3) образуются в смесителях. Они возникают из-за недостаточной избирательности предшествующих каналов и определяются характеристикой нелинейности смесителя.

Побочный канал приема на зеркальной частоте (зеркальный канал). Он образуется вследствие недостаточного ослабления помех в преселекторе (входных контуров и УВЧ) приемника. Если частота гетеродина выбрана выше либо ниже частоты настройки приемника, то средняя частота зеркального канала

Рисунок 7.3  Классификация каналов приема

Комбинационные каналы приема. В общем случае, для помехи с частотой f_i частота комбинационного канала f_к , по которому возможно прохождение помехи, определяется из соотношения

где i ,n и m - целые положительные числа;

f_г - частота гетеродина;

f_пч - промежуточная частота;

B_пч - полоса частот УПЧ приемника.

Величина N =n+m называется порядком комбинационного канала.

Каналы субгармоник частоты настройки приемника образуются, например, при взаимодействии первой гармоники частоты гетеродина (m =1) и второй гармоники мешающего сигнала (n = 2) . При этом образуются частоты субгармоник частоты настройки приемника f_кс = 0,5( f_г - f_пч ) = 0,5 f_R и частоты зеркального канала.

Канал приема по промежуточной частоте приемника образуется вследствие недостаточной избирательности преселектора приемника. В приемниках магистральной радиосвязи 1, 2 и 3 классов мешающие сигналы на промежуточной частоте должны ослабляться не менее, чем на 100, 80 и 60 дБ, а в бытовых АМ радиоприемниках  не менее, чем на 40…26 дБ. Чем сильнее выражена нелинейность в процессе преобразования частоты в смесителе, тем больше появляется гармоник и связанных с ними побочных каналов приема.

Избирательность побочных каналов приема также определяется своей полосой пропускания и коэффициентом прямоугольности. В задачах ЭМС форма характеристики избирательности по побочным каналам обычно принимается такой же, как и по основному каналу, но от основного побочные каналы отличаются своей чувствительностью.

Динамический диапазон по побочному каналу характеризует избирательность приемника относительно помех по побочному каналу приема.

где P_c - мощность полезного сигнала;

P_пк - мощность помех в побочном канале;

P_ш- мощность внутренних шумов.

Чувствительность по основному каналу называют чувствительностью приемника. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Количественно чувствительность (она же реальная чувствительность) определяют напряжением или мощностью сигнала на входе, при котором на выходе приемника обеспечивается заданное отношение сигнал/ шум Q_вых при номинальной мощности выходного сигнала.

В технических условиях или стандартах оговаривается отношение сигнал шум, при котором происходит измерение чувствительности (для вещательных АМ приемников НЧ, СЧ, и ВЧ Q_вых = 20 дБ, для более высоких частот 26 дБ, в диапазоне ОВЧ при частотной модуляции Q_вых  50 дБ). Измеряют чувствительность в микровольтах, ваттах или децибелах относительно микровольта, ватта или милливатта.

Реальная чувствительность, ограниченная собственными шумами приемника может быть рассчитана по формуле:

Pмин = NшkБToBшQвых [Вт],

где P_мин - чувствительность приемника на рабочей частоте настройки f_0R ;

N_ш - коэффициент шума приемника (в разах);

k_Б =1,38 10^-23Вт/К^о/Гц - постоянная Больцмана;

T - температура в градусах Кельвина;

B_ш B_пч - ширина эффективной полосы шумов приемника, Гц.

Пороговая чувствительность определяется минимальным уровнем полезного сигнала на входе радиоприемника при равенстве уровней полезного сигнала и собственных шумов на его выходе, т.е. при соотношении мощностей сигнал/шум 0 дБ. Такую чувствительность вычисляют по формуле:

Pмин = NшkБToBш .

Восприимчивость побочных каналов приема выражают в децибелах относительно чувствительности основного канала. Этот параметр показывает, насколько чувствительность побочного канала хуже чувствительности основного канала.

7.2 Эффекты блокирования, интермодуляции, перекрестных искажений

При достаточно большом уровне помеха, действующая по одному из соседних каналов приема и не проходящая на выход приемника, может вызвать эффект блокирования полезного сигнала.

Блокирование в радиоприемнике - это изменение уровня сигнала или отношения сигнал/шум на выходе РПРУ при воздействии помехи, частота которой не совпадает с частотами основного и побочных каналов приема. Блокирование возникает в первых каскадах радиоприемника из-за нелинейности вольтамперной характеристики используемых активных компонентов.

Вольтамперная характеристика нелинейного элемента может быть аппроксимирована рядом Тейлора и представлена укороченным полиномом третьей степени

, (7.1)

где U_вх - напряжение на входе;

b₀ ,b₀^' ,b₀^'' - крутизна вольтамперной характеристики и ее две производные.

Поскольку в формировании амплитудной характеристики усилительного каскада участвуют только нечетные члены ряда (7.1), то, исключив нулевой и квадратичный члены ряда, получим

. (7.2)

Подставив в (7.2) и, поскольку на выход приемника проходят только колебания с частотой сигнала, а все другие составляющие подавляются в процессе фильтрации, получаем выражение для амплитуды первой гармоники тока на частоте полезного сигнала

, (7.3)

где E_c и E_п - амплитуды полезного сигнала и помехи, соответственно.

Уравнение (7.3)  это амплитудная характеристика нелинейного элемента, определяющая зависимость амплитуды первой гармоники частоты полезного сигнала от уровней этого сигнала и помехи на входе приемника. Здесь b_cp  средняя крутизна вольтамперной характеристики активного элемента (диода, транзистора и т.п.), которая зависит от амплитуд полезного сигнала и помехи. При сильной помехе выражение (7.3) можно упростить

тогда средняя крутизна b_cp = (b₀ +b₀^''E_п² / 4) зависит только от мощности помехи. Отношение b₀^'' / b₀ - параметр, характеризующий нелинейность используемого активного элемента, которая является причиной возникновения эффекта блокирования.

а) б)

Рисунок 7.4  Влияние эффекта блокирования

При блокировании под воздействием радиопомехи происходит уменьшение усиления приемника (обычно в первых каскадах, которые из-за низкой избирательности преселектора находятся в наихудших условиях по помехозащищенности). Эффект блокирования проявляется тем сильнее, чем больше уровень помехи и чем ближе ее частота к основному каналу приема. При b₀^''  0 амплитудная характеристика линейна (кривая 1 на рис. 7.4, а), ее крутизна максимальна, и амплитуда первой гармоники не зависит от действия помехи. При b₀^''  0 амплитудная характеристика нелинейна (кривые 2 и 3), средняя крутизна b_cp  b₀ и амплитуда тока уменьшается по мере роста мощности помехи (рис. 7.3, б).

Допустимое уменьшение уровня сигнала при блокировании составляет 3...6 дБ. Полоса частот, в которой имеет место блокирование, называется полосой блокирования B_бл . Частота блокирующей помехи может совпадать с частотами соседних каналов приема

Количественной характеристикой эффекта блокирования служит коэффициент блокирования, численно равный отношению изменения амплитуды сигнала на выходе приемника под воздействием помехи к амплитуде сигнала при отсутствии помехи:

. (7.4)

При отсутствии блокирования k_бл  0 , при полном блокировании k_бл 1. Допустимые значения 0,3...0,5.

Характеристикой частотной избирательности приемника по блокированию является зависимость уровня радиопомехи на входе приемника от частоты при постоянном коэффициенте блокирования.

Динамический диапазон по блокированию D_бл  0 количественно оценивается отношением гармонической помехи на входе приемника U_{п вх} к чувствительности U_{с вх} при заданных коэффициенте блокирования и частотной расстройке помехи по отношению к средней частоте основного канала приема

Так мощная помеха по соседнему каналу может вызвать также и искажения структуры спектра сигнала на выходе приемника  перекрестные искажения.

Перекрестные искажения  это изменение структуры спектра полезного сигнала на выходе радиоприемника при воздействии модулированной помехи, частота которой не совпадает с частотами основного и побочных каналов. Эти искажения возникают в УВЧ и смесителе приемника при воздействии на эти элементы модулированного мешающего сигнала с частотой близкой к частоте настройки приемника (например, на частоте соседнего канала).

При воздействии АМ помехи и немодулированного полезного сигнала на входе нелинейного элемента действует напряжение

(7.5)

После подстановки (7.5) в (7.2) получим выражение

. (7.6)

Второе слагаемое в (7.6) отражает эффект блокирования, а третье - эффект перекрестной модуляции, в результате которой в спектре выходного сигнала появляются составляющие на частотах . При эти помеховые составляющие попадают в полосу пропускания основного канала приема и проходят на выход .

Следовательно, перекрестные искажения проявляются в том, что модуляция мешающего сигнала, у которого все составляющие частотного спектра находятся вне полосы пропускания приемника, переносится на полезный сигнал. Глубина перекрестной модуляции

m_пер = b₀''E_п2 / 2b₀ .

Если мешающий сигнал модулирован частотой а полезный сигнал - частотой , то коэффициент перекрестных искажений k_пер определяется отношением величины приращения первой гармоники выходного тока за счет действия помехи к величине приращения первой гармоники выходного тока за счет полезного сигнала.

kпер =Uвых пер /Uвх c =b0''Eп2mп / 2b0mc .

Характеристика частотной избирательности по перекрестным искажениям представляет собой зависимость уровня модулированной помехи на входе приемника от частоты при фиксированном коэффициенте перекрестных искажений.

Динамический диапазон приемника по перекрестным искажениям определяется как отношение уровня модулированной помехи к чувствительности приемника, при заданных коэффициенте перекрестных искажений и частотной расстройке помехи относительно центральной частоты основного канала приема.

D_пер = 20lg(U_пер /U_с) при k_пер = const .

При многосигнальном воздействии могут проявляться эффекты интермодуляции, которые надо учитывать при анализе ЭМС.

Интермодуляция (взаимная модуляция)  это возникновение помех на выходе радиоприемника при воздействии на входе двух или более радиопомех, частоты которых не совпадают с частотами основного и побочных каналов приема.

Опасные интермодуляционные колебания порядка , могут попадать в полосу пропускания приемника, если выполняется неравенство

, (7.7)

где f₁ и f₂  частоты мешающих сигналов, f_0R  частота настройки приемника; B_X  полоса пропускания УПЧ на уровне X дБ, n,m 1,2,3,... Для оценки интермодуляционных помех полоса частот УПЧ обычно выбирается на уровне 60 дБ.

Наибольшее мешающее действие могут оказывать интермодуляционные помехи второго и третьего порядков вида: ,

где f₁ - частота ближайшая к частоте настройки приемника,

f₂ - более удаленная частота,

f_{R -} частота, попадающая в основной канал приема.

Если частота интермодуляционного помехи попадает в полосу пропускания приемника, то она проходит на выход и нарушает прием полезного сигнала.

Пример положения мешающих сигналов на оси частот показан на рис. 7.5.

Рисунок7.5  Образование интермодуляционных помех

При возникновении интермодуляционной помехи на входе нелинейного элемента действует суммарное напряжение полезного сигнала двух мешающих

(7.8)

После подстановки (7.8) в (7.2) получим выражение для амплитуды первой гармоники тока частоты сигнала

(7.9)

Второе слагаемое в (7.9) отображает вклад интермодуляционной помехи.

Восприимчивость приемника к интермодуляции характеризуют коэффициентом интермодуляции k_инт , определяемым как отношение уровня интермодуляционной помехи на выходе, к уровню сигнала на выходе (номинальному уровню), при подаче на вход полезного сигнала, соответствующего чувствительности приемника.

kинт =Uвых инт /Uвых c .

Наиболее опасными считаются интермодуляционные помехи третьего порядка. Коэффициент интермодуляции третьего порядка определяется выражением

kинт3 = b0''Eп21Eп2 /8b0Ec.

Динамический диапазон по интермодуляции равен отношению численного значения этой характеристики на частотах возникновения интермодуляции к чувствительности приемника.

D_инт = 20lg(E_инт / E_с.), дБ при ^k_инт = const .

7.3 Математические модели восприимчивости и избирательности

При оценке работоспособности РЭС в условиях непреднамеренных помех значение имеют сведения о восприимчивости и избирательности побочных каналов.

Если точное значение чувствительности по основному каналу регламентируется техническим заданием или стандартом и контролируется в процессе приемо-сдаточных испытаний, то для побочных каналов приема устанавливается верхняя граница восприимчивости, и только она проверяется в процессе приемки РПрУ.

При решении задач ЭМС восприимчивость считают случайной величиной. Если она выражена в дБ относительно мВт, то ее закон распределения считают нормальным. Т.е. для описания такой случайной величины достаточно указать ее среднее значение и среднеквадратичное отклонение.

Для среднего значения огибающей восприимчивости приемника используют выражение

где P_R( f ) - среднее значение огибающей восприимчивости приемника на частоте f , дБмВт,

f_0R - частота настройки приемника, коэффициентC_R описывает спад восприимчивости по-

бочных каналов приема дБ/дек, а D_R задает постоянное ослабление восприимчивости, дБ.

Таблица 7.1 - Параметры огибающей восприимчивости приемника

Частотная область	f0R			f=f0R		f>f0R
	CR	DR	σR		CR	DR	σR
f0R 30 МГц	-20	80	10	CR = 0 DR = 0 σR = 20 дБ	25	85	15
30МГц f0R 300 МГц	-20	80	10		35	85	15
300МГц f0R	-20	80	10		40	60	20

Данные этой таблицы применимы для комбинационных каналов, образуемых первой (основной) гармоникой гетеродина. Для комбинационных каналов, образуемых второй гармоникой гетеродина, D_R увеличивается на 15 дБ, для третьей - на 20 дБ.

Частотная избирательность РПРУ в основном определяется избирательностью наиболее узкополосной его части - УПЧ. Наиболее часто применяется модель избирательности приемника на ПЧ, представляющая АЧХ УПЧ S(Δf ) в виде кусочно-линейной функции логарифма частотной расстройки

где S(Δf ) - ослабление сигнала при расстройке Δf относительно центральной частоты УПЧ;

i- номер участка аппроксимации АЧХ;

S_i -наклон i -го участка аппроксимации дБ/дек;

Δf_i - ширина i -го участка аппроксимации;

Эта модель используется, когда известны значения частотной характеристики в некоторых точках, отстоящих от центральной частоты на величину f . На практике это обычно уровни 3, 20 и 60 дБ. Обозначим расстройки при этих уровнях как

Тогда характеристика частотной избирательности УПЧ, соответствующая выражению (7.1) имеет вид, представленный на рис. 7.6.

Кривая симметрична относительно частоты средней настройки фильтров УПЧ. Значения коэффициентов S_i (i=1,2) определяется в данном случае выражениями:

При расчетах, связанных с оценкой уровня помех побочным каналам приема, вид характеристики избирательности побочного канала по частоте принимают таким же, как и для основ ного.

Рисунок 7.6 - Характеристика частотной избирательности

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

• приемники прямого усиления ,
• архитектура главного тракта приема сигналов , виды приемников ,
• синхродин супергетеродин с нулевой пч , радиоприёмник прямого преобразования ,
• программно определяемая радиосистема , sdr ,
• приемник прямого усиления ,
• классификация радиоприемных устройств ,
• регенеративные радиоприемники ,

Исследование, описанное в статье про рецепторы помех , подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое рецепторы помех и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электромагнитная совместимость