Сигналы и помехи при радиоприеме

Сигналы и помехи при радиоприеме

42

Глава 2 Сигналы и помехи при

радиоприеме

Сигналы

Полезным сигналом называют колебание, несущее информацию

(сообщение). Помехой является любое воздействие на сигнал,

препятствующее правильному приему сообщения.

Моделью сообщения может служить случайное число x или случайная

функция x(t).

Сигналы ux(t) классифицируют по различным признакам:

детерминированные – случайные;

непрерывные – импульсные;

простые – сложные;

модулированные – немодулированные;

аналоговые – цифровые.

Помехи

Помехи различают по их происхождению и по их электрическим

характеристикам. По происхождению помехи могут быть: атмосферные,

индустриальные, от посторонних радиостанций, космические, специально

организованные. Особую роль играет помеха, обусловленная внутренним

шумом приемника, так как она присутствует всегда, а ее уровень зависит от

схемы и конструкции приемника. Общий уровень помех зависит от рабочей

частоты приемника, времени суток, места расположения приемной антенны и

других подобных факторов.

По электрическим характеристикам различают:

квазигармонические помехи, ширина спектра которых примерно равна

полосе пропускания приемника и значительно ниже частоты его

настройки;

импульсные помехи – хаотические или регулярные последовательности

импульсов, ширина спектра которых значительно больше полосы

пропускания приемника;


43

флуктуационные (шумовые) помехи, представляющие собой

случайные процессы (белый шум или узкополосный случайный

процесс).

С повышением рабочей частоты уровень внешних помех падает, так

что в диапазоне СВЧ основным видом помехи становится внутренний шум

приемника.

По виду взаимодействия сигнала и помехи различают помехи, которые

суммируются с сигналом (аддитивные) и перемножаются с ним

(мультипликативные). Примером аддитивной помехи может служить

собственный шум приемника, а мультипликативной – замирания сигнала в

диапазоне коротких волн. В общем виде входное колебание приемника

можно представить в виде

uвх(t) = uп мульт(t) ux(t) + uп адд(t).

Уровень помех определяет реальную чувствительность приемника.

Внутренние шумы приемника

Внутренний шум приемника – это аддитивная флуктуационная помеха,

создаваемая элементами схемы приемника.

Внутренний шум приемника ограничивает его чувствительность на

волнах короче 20 м (несущая частота 15 МГц).

Источники шума:

Тепловые шумы активных сопротивлений;

Шумы электронных ламп и транзисторов.

Удобным является универсальный подход, при котором не учитывают

реальную причину возникновения шума, сводя все шумы, независимо от их

природы и от источника шума, к шумам некоторого эквивалентного

сопротивления, нагретого до определенной температуры. В этом случае для

расчета уровня шума в приемнике достаточно использовать единственную

формулу расчета тепловых шумов активного сопротивления (реактивные

сопротивления не шумят).


44

Тепловые шумы активных сопротивлений

Тепловые шумы активных сопротивлений создаются флуктуациями

электронов в проводнике.

В эквивалентной схеме

шумящего сопротивления выделяют

источник шума (напряжения или тока)

и нешумящий резистор, сопротивление

которого равно сопротивлению

реального элемента (рис. 2.1.).

Расчеты производятся по

формулам Найквиста

2

ш 4 ;E kTR f

2

ш 4 .I kTg f

где k = 1.38·10-23

Дж / К·Гц –

постоянная Больцмана, Т – температура,

до которой нагрето сопротивление (в

градусах Кельвина), Δf – полоса частот,

g = 1/R.

Наибольшая шумовая мощность,

передаваемая от шумящего

сопротивления в нагрузку, называется номинальной шумовой мощностью.

Номинальная мощность передается в нагрузку при равенстве сопротивлений

источника сигнала (шума) и нагрузки. Она не зависит от величины

сопротивления: Рш ном = kTΔf. В случае согласования каскадов между собой

от одного каскада к другому всегда передается номинальная шумовая

мощность.

Шумы параллельного LC-контура

Шумы контура создаются его активным сопротивлением. Если полоса

пропускания контура шире расчетной полосы Δf, можно считать, что контур

шумит так же, как шумел бы резистор, сопротивление которого равно

резонансному сопротивлению параллельного контура. В противном случае

нужно интегрировать сопротивление контура по полосе частот.

Рис. 2.1. Эквивалентные схемы

шумящих сопротивлений


45

Шумы усилительных приборов

Для количественной оценки шумовых свойств усилительного прибора

делается допущение, что он является нешумящим, а шум на его выходе − это

следствие усиления подводимого к управляющему электроду шумового

напряжения Uш вх (рис. 2.2), создаваемого двумя фиктивными генераторами:

генератором ЭДС Eш вх и генератором тока Iш вх с внутренней проводимостью

G11, которая представляет собой входную проводимость усилительного

прибора.

Шумы, приведенные к входу транзистора, обусловлены несколькими

источниками, поэтому для удобства расчетов принимают, что основная часть

этих шумов возникает в эквивалентном шумовом сопротивлении Rш,

определяющем шумовую ЭДС, средний квадрат которой

.4 ш

2

ш ПkTRE

Здесь П – шумовая полоса усилительно-преобразовательного тракта

приемника (обычно она примерно на 10 % больше полосы пропускания по

уровню половинной мощности), Rш – шумовое сопротивление

усилительного прибора.

Генератор шумового тока учитывает шумы, наведенные в цепи

управляющего электрода транзистора, а также тепловые шумы. Средний

квадрат этого тока

.4 11ш

2

ш ПGkTtI

где tш = Тш/Т0 - относительная шумовая температура транзистора,

показывающая, во сколько раз

температура нагрева Тш проводимости

G11 должна быть больше нормальной

температуры

Т0 = 293 К (20°С), чтобы генератор тока

Iш вх создавал шумы, эквивалентные тем,

которые наводятся в цепи управляющего

электрода.

У биполярного транзистора

шумовое сопротивление Rш зависит от

усилительных свойств, режима питания,

Рис. 2.2. Эквивалентная схема шумящего

усилительного прибора


46

способа включения прибора и составляет десятки Ом, а относительная

шумовая температура tш < 1. В полевом транзисторе основной составляющей

являются тепловые шумы канала, характеризующиеся шумовым

сопротивлением Rш = (0,6...0,75)/S, где S — крутизна сток-затворной

характеристики, а коэффициент в числителе зависит от материала, геометрии

структуры, технологии производства и других свойств транзистора.

Дробовый шум тока утечки затвора мал, и его можно не учитывать. Поэтому

второй заметной шумовой составляющей являются тепловые шумы

объемных сопротивлений истока и стока, определяемые при tш = 1.

Шумы приемных антенн

Источником внешних шумов для приемника является антенна. Шумы

приемной антенны складываются из тепловых шумов ее активного

сопротивления и шумов сопротивления излучения, обусловленных приемом

излучений космоса, атмосферы и Земли. Шумы активного сопротивления

потерь обычно незначительны, поэтому общие шумы антенны можно

оценивать средним квадратом ЭДС шума от внешних излучений:

.4 АА

2

ш ПRkTE

Здесь: RA - сопротивление излучения антенны; ТА = tАT0 - эквивалентная

шумовая температура антенны, т.е. температура, которую имеет

сопротивление RА, шумящее так, как шумит реальная антенна; TA = Tк+ Tатм +

+ Tз, где Tк, Tатм, Tз − значения шумовой температуры, связанные с

попаданием в антенну соответственно космических шумов, шумов

атмосферы и теплового излучения Земли. Интенсивность этих составляющих

сложным образом зависит от частоты, диаграммы направленности и

ориентации антенны, ее географического положения и времени приема. В

случае остронаправленной антенны величина шумовой температуры может

колебаться в зависимости от положения ее диаграммы направленности от

единиц до тысяч градусов Кельвина (значение TA = 6000 К соответствует

температуре поверхностных слоев солнца).


47

Коэффициент шума приемника

С целью количественной оценки шумовых свойств радиоприемного

устройства используются коэффициент шума и шумовая температура,

определяемые для линейной части тракта, т.е. до первого нелинейного для

малых сигналов и шумов звена – детектора. Вследствие действия

собственных шумов, отношение сигнал/шум на выходе четырехполюсника

становится хуже (меньше), чем отношение сигнал/шум на его входе.

Меру ухудшения отношения сигнал/шум из-за собственных шумов

приемника называют коэффициентом шума:

Рассмотрим линейный шумящий четырехполюсник с входным

сопротивлением Rвх и коэффициентом усиления (передачи) по мощности

Kp = Рс вых/Рс вх, нагруженный на сопротивление Rн (рис. 2.3).

К его входным зажимам подключается источник сигнала с выходным

сопротивлением Rг, являющийся одновременно и источником тепловых

шумов с ЭДС

.4 ш

2

ш ПkTRE

Обычно температуру полагают равной комнатной.

Рис. 2.3. Линейный шумящий четырехполюсник

Сигнальный тракт

радиоприемного

устройства как

шумящий

четырехполюсник

Е

ш

R

г

R

н

Eш

Rг

Rн

свх швх

свых швых

/.

/

Р РШ

Р Р


48

При согласовании источника сигнала с входом четырехполюсника

(Rг = Rвх) на входном сопротивлении последнего рассеивается максимальная

(номинальная) мощность шумов

Рш ном = kTПш.

Если имеет место рассогласование источника сигнала и

четырехполюсника, на Rвх рассеивается меньшая шумовая мощность

Рш = ηkTПш.,

где η = Рш вх / Рш ном — коэффициент рассогласования, зависящий от

соотношения сопротивлений Rг и Rвх :

η = (Rг + Rвх)2 / 4RгRвх .

В четырехполюснике входные сигналы и шумы одинаково

усиливаются (в пассивном четырехполюснике ослабляются) в Кр раз, и если

бы он был идеальным (нешумящим), на его нагрузочном сопротивлении Rн

рассеивалась бы мощность шумов Рш вых и , обусловленная лишь шумами

источника сигнала. Отношение сигнал/шум на входе и выходе

четырехполюсника было бы одинаковым, а коэффициент шума равен

единице. В реальном четырехполюснике к входным шумам добавляются

собственные шумы четырехполюсника мощностью Рш соб , в результате на

нагрузке рассеивается большая шумовая мощность Рш вых = Рш вых и+ Рш соб.

Коэффициент шума становится больше единицы и показывает, во

сколько раз мощность шумов на выходе реального четырехполюсника

превышает мощность шумов на выходе нешумящего (идеального).

Коэффициент шума выражают в децибелах

Ш [дБ] = 10 lg Ш.

Коэффициент шума пассивной цепи, согласованной на входе с

источником сигнала, а на выходе – с нагрузкой, обратно пропорционален

коэффициенту передачи номинальной мощности этой цепи. Дело в том, что

сигнал ослабляется пассивной цепью, а уровень шумов, вследствие

согласованности нагрузок, на входе и выходе одинаков (равен номинальной

шумовой мощности).


49

Для оценки шумовых свойств малошумящих четырехполюсников, у

которых коэффициент шума близок к единице, удобнее использовать

эквивалентную шумовую температуру:

Тш = (Ш – 1) Т0 .

Шумовая температура четырехполюсника показывает, до какой

величины должна быть повышена абсолютная температура сопротивления

источника сигнала Rг , подключенного к входу идентичного, но нешумящего

четырехполюсника, чтобы мощность шумов на его выходе равнялась

мощности шумов на выходе реального шумящего четырехполюсника.

Шумовая температура четырехполюсника не зависит от шумовой

температуры источника сигнала.

Часто рассматривается мощность собственных шумов

четырехполюсника, приведенная к его входу

Рш соб вх = Рш соб вых / Кр .

Для согласованного на входе и выходе активного четырехполюсника

Рш соб вх = kТшП.

Коэффициент шума многокаскадной схемы

Сигнальный тракт супергетеродинного радиоприемника представляет

собой многокаскадное устройство, в которое входят входная цепь, усилитель

радиочастоты, смеситель и усилитель промежуточной частоты (как правило,

тоже многокаскадный). Для всех каскадов могут быть определены

коэффициенты передачи номинальной мощности и коэффициенты шума.

Общий коэффициент шума рассчитывается по формуле (при согласованных

между собой каскадах):

Ш = Ш1 + (Ш2 – 1) / КР 1 + (Ш3 – 1) / КР 1 КР 2+…

Нетрудно проверить, что при больших коэффициентах усиления общий

коэффициент шума определяется в основном коэффициентами шума первых

каскадов. Например, если Ш1 = Ш2 = 3 и КР 1 = КР 2 = 12, то Ш = 3,17 ≈ Ш1 .


50

Реальная чувствительность приемника

Допустим, что на выходе линейного тракта приемника требуется

отношение сигнал/шум h. Эту величину обычно называют коэффициентом

различимости.

Реальной чувствительностью приемника называют минимальную

мощность сигнала на входе приемника, при которой обеспечивается

заданный коэффициент различимости.

Получим формулу расчета реальной чувствительности.

Рс вых = h Р ш вых ;

Р ш вых = (Рш А + Рш соб вх )КР = (kTАПш + kТшПш) КР = kТ0Пш КР (tА + tш);

где tА и tш - относительные шумовые температуры антенны и усилительно-

преобразовательного тракта приемника.

Требуемая мощность сигнала на входе приемника:

Рс вх = h Р ш вых / КР = kТ0Пш h (tА + tш).

Учитывая, что tш = Ш – 1 (избыточный коэффициент шума), и приняв

tА = 1, получим величину реальной чувствительности приемника

Рс вх = kТ0Пш hШ.

Предельная чувствительность приемника при h =1 рассчитывается по

формуле

Рс вх = kТ0Пш Ш.

Следовательно, предельная чувствительность приемника определяется

его шумовой полосой Пш и коэффициентом шума Ш. Постоянная

kТ0 = 4·10-21

Вт/Гц.

Пути повышения реальной чувствительности

Основной путь повышения реальной чувствительности – это снижение

коэффициента шума. Уменьшение собственных шумов достигается:

использованием малошумящих усилителей;

охлаждением входных каскадов приемника с применением криогенной

техники.


51

Второе направление – это снижение требуемого коэффициента

различимости, которое достигается:

применением помехоустойчивых сигналов;

оптимальным детектированием;

последетекторной обработкой сложных сигналов.

Третье направление – это уменьшение полосы пропускания

радиотракта, в том числе ценой уменьшения скорости передачи информации.

Краткие выводы

1/ Полезным сигналом называют колебание, несущее информацию

(сообщение). Помехой является любое воздействие на сигнал,

препятствующее правильному приему сообщения.

2. Внутренний шум приемника – это аддитивная флуктуационная

помеха, создаваемая элементами схемы приемника.

Внутренний шум приемника ограничивает его чувствительность на

волнах короче 20 м (несущая частота 15 МГц).

3. Источники внутреннего шума:

тепловые шумы активных сопротивлений;

шумы электронных ламп и транзисторов.

4. Наибольшая шумовая мощность, передаваемая от шумящего

сопротивления в нагрузку, называется номинальной шумовой мощностью.

Номинальная мощность передается в нагрузку при равенстве сопротивлений

источника сигнала (шума) и нагрузки. Она не зависит от величины

сопротивления и равна:

Рш ном = kTΔf.

5. Для количественной оценки шумовых свойств усилительного

прибора делается допущение, что он является нешумящим, а шум на его

выходе − это следствие усиления подводимого к управляющему электроду

шумового напряжения, создаваемого двумя фиктивными генераторами:

генератором шумовой ЭДС Eш вх и генератором шумового тока Iш вх с

внутренней проводимостью G11, которая представляет собой входную

проводимость усилительного прибора.


52

6. Шумы приемной антенны складываются из тепловых шумов ее

активного сопротивления и шумов сопротивления излучения, обусловленных

приемом излучений космоса, атмосферы и Земли.

7. Меру ухудшения отношения сигнал/шум из-за собственных шумов

приемника называют коэффициентом шума:

8. Для оценки шумовых свойств малошумящих четырехполюсников, у

которых коэффициент шума близок к единице, удобнее использовать

эквивалентную шумовую температуру:

Тш = (Ш – 1) Т0 .

9. Общий коэффициент шума (при согласованных между собой

каскадах) рассчитывается по формуле:

Ш = Ш1 + (Ш2 – 1) / КР 1 + (Ш3 – 1) / КР 1 КР 2 + …

10. Реальной чувствительностью приемника называют минимальную

мощность сигнала на входе приемника, при которой обеспечивается

заданный коэффициент различимости.

11. Предельная чувствительность приемника при h =1 рассчитывается

по формуле

Рс вх = kТ0Пш Ш.

11. Основной путь повышения реальной чувствительности – это

снижение коэффициента шума. Уменьшение собственных шумов достигается:

использованием малошумящих усилителей;

охлаждением входных каскадов приемника с применением криогенной

техники.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение и классификацию сигналов.

2. Дайте определение и классификацию помех.

3. Назовите источники внутреннего шума приемника.

4. Приведите эквивалентные схемы и формулы расчета шумов пассивных

и активных цепей приемника.

свх швх

свых швых

/.

/

Р РШ

Р Р


53

5. Расскажите, чем определяются шумы приемных антенн.

6. Дайте определение коэффициента шума приемника и его шумовой

температуры.

7. Как рассчитывается коэффициент шума многокаскадной схемы?

8. Выведите формулу для расчета реальной чувствительности приемника.

9. Расскажите о путях повышения реальной чувствительности.

Задачи для самоконтроля

1. Определите коэффициент шума приемника, структурная схема

которого приведена ниже.

2. Параллельный колебательный контур включен на входе усилителя

радиочастоты приемника и согласован с ним. Температура элементов

РПрУ: Т = 290 К. Шумовая полоса избирательных цепей ПШ = 200 кГц.

Вычислить мощность шумов, поступающих на вход усилителя

радиочастоты с контура.

3. Радиоприемник имеет коэффициент шума Ш = 7. Шумовая

температура антенны TА = 1950 К. Можно ли повысить

чувствительность приемника в два раза, снизив коэффициент шума?

4. На вход приемника подключен эквивалент согласованной

антенны. При этом мощность шума на выходе линейного тракта

приемника равна 16∙10 − 9

Вт. Параметры линейного тракта: шумовая

полоса 1,8 МГц; коэффициент передачи 60 дБ. Определить мощность

приведенного к входу собственного шума приемника.

5. Приемник с входной проводимостью 10 мСм подключен к генератору

сигнала с выходным сопротивлением 100 Ом. При этих условиях

коэффициент шума приемника равен 31. Определить спектральную

плотность напряжения собственного шума приемника, приведенного к

входу.


54

Список литературы

1. Колосовский Е. А. Устройства приема и обработки сигналов. Учебное

пособие для вузов. – М : Горячая линия-Телеком, 2007. - 456 с.: ил.

2. Радиоприемные устройства: Учебник для вузов / Н. Н. Фомин, Н. Н.

Буга, О. В. Головин и др.; Под редакцией Н. Н. Фомина. - 3-е издание,

стереотип. - М. : Горячая линия - Телеком, 2007. - 520 с.: ил.

3. Радиоприемные устройства / Н.Н.Буга, А.И. Фалько, Н.И.Чистяков;

Под ред. Н.И. Чистякова. - М. : Радио и связь, 1986. - 320 с.

Documents

Сигналы и помехи при радиоприеме