Внутренние шумы в трактах приема и обработки сигналов

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Сибирский федеральный университет»

УСТРОЙСТВА ПРИЕМА

И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ

Методические указания

по самостоятельной работе

Красноярск

БИК СФУ

УДК

ББК

Устройства приема и преобразования сигналов: метод. указания по самостоятельной работе / сост.: А. К. Дашкова, Ф. В. Зандер. – Красноярск: БИК СФУ, 2012. – с.

Приведены методические указания по самостоятельной подготовке, в том числе по теоретической подготовке, решению задач и выполнению расчетных заданий по дисциплине «Устройства приема и преобразования сигналов».

Для студентов укрупненной группы 210000 «Электронная техника, радиотехника и связь» (направление подготовки специалистов 210300 «Радиотехника» по специальности 210304.65 «Радиоэлектронные системы»).

УДК

ББК

Рекомендовано к изданию

Учебно-методическим департаментом СФУ

ISBN

Ó Сибирский федеральный университет, 2012

ВВЕДЕНИЕ

В предлагаемых методических указаниях приводятся состав, объем и виды самостоятельной работы студентов специальности 210304.65 «Радиоэлектронные системы» при изучении дисциплины «Устройства приема и преобразования сигналов» (далее УПиПС).

В соответствии с рабочей программой дисциплины самостоятельная работа студентов при изучении данной дисциплины состоит из следующих компонентов, на которые отводится определенный объем в часах:

теоретическое обучение – 17 ч;

решение задач – 15 ч;

выполнение расчетных заданий – 5 ч.

Пользуясь информацией из данных методических указаний, студенты смогут выполнить все виды самостоятельной работы в отведенные для этого сроки и в полном объеме.

Рекомендации по самостоятельной

ТЕОРЕТИЧЕСКОй подготовке

При самостоятельном изучении тем лекционного курса необходимо пользоваться литературой [1–3], руководствуясь табл. 1 при поиске места расположения конкретного материала. Для более углубленного изучения теоретического материала можно пользоваться более полным списком литературы, содержащимся [3].

В табл. 1 приведен перечень тем теоретической части дисциплины с указанием литературы и страниц, где находится данный материал. Также при изучении теоретического материала необходимо руководствоваться итоговыми вопросами, выносимыми на экзамен.

Таблица 1

Название темы дисциплины	Литература	Страницы
Тема 1.Общие сведения об УПиПС		19–57 8–40 5–34
Тема 2. Внутренние шумы в трактах УПиПС		41–64 35–54
Тема 3. Входные цепи и устройства		74–85 77–113 55–70

Продолжение таблицы 1

Тема 4. Усилители радиосигналов		114–148 70–91
Тема 5. Усилители промежуточной частоты (УПЧ)		220–239 91–105
Тема 6. Малошумящие усилители диапазона СВЧ		151–167 105–113
Тема 7. Преобразователи частоты		167–191 148–195 113–130
Тема 8. Детекторы амплитудно-модулиро-ванных, импульсных и дискретных сигналов		239–264 130–160
Тема 9. Амплитудные ограничители		160–168
Тема 10. Детекторы сигналов с частотной модуляцией		264–280 168–187
Тема 11. Детекторы сигналов с фазовой модуляцией		187–198
Тема 12. Управление УПиПС		269–345 280–321 198–219
Тема 13. Помехи радиоприему и методы борьбы с ними		219–235
Тема 14. Устройства приема и преобразования различных видов сигналов		345–415 345–390 235–273
Тема 15. Особенности УПиПС различного назначения		412–458 273–282
Тема 16. Тенденции и перспективы развития теории и техники приема и преобразования сигналов		415–446 282–288

Ниже приведен полный перечень экзаменационных вопросов. По данному перечню составляются экзаменационные билеты, выдаваемые студентам при сдаче экзамена. В каждом билете содержится два вопроса и одна контрольная задача, аналогичная задачам, решаемым в течение семестра в ходе самостоятельной подготовки. Тексты задач также приведены ниже.

Вопросы, выносимые на экзамен

Тема 1

1. Функции УПиПС. Каковы структурные схемы УПиПС: прямого усиления, супергетеродина, инфрадина, синхродина. Их достоинства и недостатки.

2. Технические характеристики УПиПС: чувствительность (реальная и максимальная), помехоустойчивость. Методы количественной оценки помехоустойчивости.

3. Технические характеристики УПиПС: избирательность, виды избирательности, динамический диапазон.

4. Помехи радиоприему: виды помех, их классификация и характеристики.

5. Аддитивные и мультипликативные помехи. Виды аддитивных помех и их основные характеристики.

Тема 2

1. Собственные шумы УПиПС, их характеристики и источники возникновения. Шумы резистора и параллельного контура. Шумовая полоса контура.

2. Шумы приемных антенн, биполярных и полевых транзисторов. Эквивалентная шумовая схема транзистора.

3. Коэффициент шума радиоприемника. Шумовая температура четырехполюсников.

4. Как определить коэффициент шума и шумовую температуру последовательно соединенных четырехполюсников?

5. Какова связь между чувствительностью радиоприемника и его коэффициентом шума? Пути повышения чувствительности.

Тема 3

1. Назначение, основные параметры и типы ВЦ УПиПС умеренно высоких частот, их достоинства и недостатки.

2. Как определить коэффициент передачи для обобщенной структуры ВЦ?

3. Как определить коэффициент шума для обобщенной структуры ВЦ?

4. Обобщенная эквивалентная схема одноконтурной ВЦ, ее параметры (коэффициент передачи и полоса пропускания) в режиме согласования и при заданной полосе пропускания.

5. Параметры одноконтурной ВЦ с внешнеемкостной связью с ненастроенной антенной. Выбор емкости связи.

6. Параметры одноконтурной ВЦ с индуктивной связью с ненастроенной антенной. Возможные режимы работы и зависимость коэффициента передачи от частоты настройки.

Тема 4

1. Определение, назначение, основные характеристики и типы УРС. Как выбрать параметры преселектора (коэффициент передачи и полосу пропускания)?

2. Обобщенная эквивалентная схема резонансного усилителя, его коэффициент усиления и полоса пропускания.

3. Как определить максимальный коэффициент усиления УРС с общим эмиттером при произвольной и при заданной полосе пропускания?

4. Как определить устойчивость УРС? Методы стабилизации параметров УРС. Причины самовозбуждения УРС. Как определить коэффициент устойчивости и коэффициент устойчивого усиления? Методы повышения устойчивости.

5. Искажения сигналов в УРС. Влияние помех на искажения сигналов. Способы уменьшения искажений.

6. Как определить коэффициент шума УРС и ВЦ? Способы уменьшения коэффициента шума.

Тема 5

1. Назначение, характеристики и типы УПЧ. Особенности УПЧ с рассредоточенной и сосредоточенной избирательностью. Критерии выбора параметров УПЧ.

2. Усилители промежуточной частоты с LC -фильтрами на одиночных настроенных, одиночных взаимно расстроенных и связанных контурах, их параметры, достоинства и недостатки.

3. Усилители промежуточной частоты с фильтрами без катушек индуктивности (кварцевые, пьезокерамические, электромеханические фильтры, фильтры на ПАВ и др.), их достоинства и недостатки.

4. Переходные процессы в избирательных усилителях.

Тема 6

1. Назначение, основные характеристики и типы малошумящих усилителей (МШУ) диапазона СВЧ.

2. Особенности транзисторных МШУ СВЧ.

3. Усилители на туннельных диодах, их достоинства и недостатки.

4. Полупроводниковые параметрические МШУ проходного и отражательного типов.

Тема 7

1. Назначение, типы и основные характеристики преобразователей частоты (ПЧ).

2. Общая теория преобразования частоты. Внутренние параметры и эквивалентная схема ПЧ.

3. Влияние величины гетеродинного напряжения на параметры ПЧ. Выбор величины напряжения гетеродина. Шумовые свойства ПЧ.

4. Побочные каналы приема в супергетеродинном радиоприемнике. Частотная характеристика ПЧ при различных уровнях сигнала. Критерии выбора промежуточной частоты.

5. Особенности диодных ПЧ СВЧ диапазона. Схемы диодных СВЧ смесителей.

6. Параметры диодных СВЧ смесителей. Как определить коэффициент шума диодного ПЧ?

Тема 8

1. Назначение, типы и основные характеристики амплитудных детекторов (АД). Схемы диодных и транзисторных АД.

2. Эквивалентная схема амплитудного детектора и его коэффициент передачи.

3. Параметры АД в режиме детектирования малых и больших сигналов. Дать сравнительную оценку квадратичного и линейного детектирования.

4. Искажения сигналов в АД. Критерии выбора сопротивления и емкости нагрузки АД.

5. Действие на линейный АД шума и смеси немодулированного сигнала и шума. Форма спектра и отношение сигнал/шум на выходе АД. Дать понятие сильного сигнала.

6. Принцип работы синхронного детектора (СД). Достоинства и недостатки СД.

7. Детекторы импульсных сигналов. Пиковый детектор.

Тема 9

· Принцип работы и схемы амплитудных ограничителей (АО). Характер воздействия на АО двух синусоидальных сигналов. Взаимодействие синусоидального сигнала и нормального шума в АО с резонансной нагрузкой.

Тема 10

· Назначение, классификация, основные характеристики и схемы частотных детекторов (ЧД).

· Искажения сигналов в ЧД. Способы уменьшения искажений.

· Прохождение сигнала и шума через ЧД при различных отношениях сигнал/шум на входе. Форма спектра и отношение сигнал/шум на выходе ЧД. Пороговые свойства ЧД.

Тема 11

1. Принцип работы и схемы фазовых детекторов (ФД). Векторомерные, коммутаторные, перемножительные и цифровые ФД.

Тема 12

Принципы управления устройствами приема и обработки сигналов. Назначение, классификация и требования. Настройка по частоте, сопряжение настройки.

Назначение, параметры, принцип работы и схемы автоматической регулировки усиления (АРУ). Достоинства и недостатки прямой и обратной АРУ.

Установившийся (статический) режим работы АРУ. Амплитудная характеристика тракта с АРУ. Параметры, влияющие на эффективность АРУ.

Динамический режим работы АРУ. Как определить время установления переходных процессов? Критерии выбора постоянной времени фильтра системы АРУ.

Влияние систем АРУ на искажения принимаемых сигналов. Особенности систем АРУ импульсных сигналов.

Назначение, основные параметры, принцип работы и схемы автоматической подстройки частоты (АПЧ).

Величина остаточной расстройки и время установления переходного процесса в системе АПЧ.

Работа системы АПЧ при больших расстройках. Полоса захвата и полоса удержания системы АПЧ.

Особенности систем АПЧ приемных устройств импульсных сигналов. Особенности систем ФАПЧ. Области применения систем ФАПЧ.

Тема 13

· Помехи радиоприему. Виды помех по характеру взаимодействия с сигналом и по характеру спектра. Общая характеристика методов борьбы с помехами.

· Прохождение через линейный тракт УПиПС импульсной помехи. Способы ослабления импульсной помехи.

· Воздействие на УПиПС сосредоточенной по спектру помехи. Методы борьбы с сосредоточенными помехами. Проблемы и методы расширения динамического диапазона УПиПС и его узлов.

· Прохождение флуктуационной помехи через линейный тракт УПиПС. Характеристики шумового процесса на выходе линейного тракта.

· Совместное воздействие на УПиПС радиосигнала и флуктуационной помехи. Понятие «сильного» сигнала.

· Основные понятия теории оптимальных методов приема (ОМП). Задачи, решаемые в теории ОМП. Алгоритм оптимальной обработки и критерии оптимальности.

· Корреляционные методы оптимального приема в условиях воздействия флуктуационных помех.

· Оптимальный прием сигналов с помощью согласованных и квазисогласованных фильтров.

· Воздействие мультипликативной помехи на сигнал. Общая характеристика способов ослабления мультипликативных помех.

· Методы комбинирования разнесенных сигналов. Способы сложения разнесенных сигналов, их достоинства и недостатки.

Тема 14

1. Методы приема сигналов с амплитудной модуляцией (АМ). Определение полосы пропускания и структура информационного тракта. Искажения сигналов с АМ и способы их уменьшения.

2. Сравнительная характеристика сигналов с одной боковой полосой (ОБП). Методы приема сигналов с ОБП. Искажения сигналов с ОБП и методы их уменьшения.

3. Устройства приема и обработки сигналов с частотной модуляцией (ЧМ). Методы приема сигналов с ЧМ, помехоустойчивость некогерентного приема, явление порога. Следящие методы приема сигналов с ЧМ. Искажения сигналов с ЧМ и способы их уменьшения.

4. Устройства приема и обработки радиоимпульсных сигналов: методы приема, использование согласованных и квазисогласованных фильтров.

5. Характеристики и виды дискретных сигналов. Обобщенная структурная схема устройства приема и обработки дискретных сигналов.

6. Устройства приема и обработки сигналов с амплитудной манипуляцией (АМн). Некогерентный прием сигналов с АМн, его помехоустойчивость.

7. Устройства приема и обработки сигналов с частотной манипуляцией (ЧМн). Методы некогерентного приема сигналов с ЧМн, их помехоустойчивость.

8. Устройства приема и обработки сигналов с фазовой манипуляцией (ФМн). Структура оптимального демодулятора, методы формирования опорного напряжения. Помехоустойчивость УПиПС, с ФМн.

9. Особенности сигналов с относительной фазовой манипуляцией (ОФМн). Методы приема сигналов с ОФМн. Помехоустойчивость приема сигналов с ОФМн. Виды относительной фазовой манипуляции и их краткие характеристики.

10.Характеристики широкополосных сигналов. Методы приема широкополосных дискретных сигналов.

Тема 15

Особенности радиоприемных устройств наземных радиорелейных систем.

Особенности радиоприемных устройств систем спутниковой связи.

Особенности приемных устройств систем связи миллиметрового и оптического диапазонов.

Тема 16

Основные тенденции развития и совершенствования устройств приема и преобразования сигналов, пути повышения помехоустойчивости и надежности.

ЗАДАЧи для самостоятельного решения

Решение задач направлено на закрепление теоретического материала по основным темам дисциплины и освоение методов расчета отдельных узлов УПиПС. Общее количество задач, которое необходимо решить каждому студенту, – 10.

Задачи студентам выдаются преподавателем по дисциплине в соответствии с графиком учебного процесса обучения в 6-м семестре начиная с первой недели. Сдача задачи на следующей неделе и т.д. Ниже приведены тексты задач. Сдача решенных задач преподавателю проводится на лабораторных занятиях 6-го семестра.

Задачи выбираются в соответствии с номером зачетной книжки (табл. 3, 4). Теоретические сведения и примеры решения некоторых аналогичных задач приведены [4].

Таблица 3

Последняя цифра номера зачетной книжки	Номера задач
	1.1	2.10	3.1	4.10	5.1
	1.2	2.9	3.2	4.9	5.2
	1.3	2.8	3.3	4.8	5.3
	1.4	2.7	3.4	4.7	5.4
	1.5	2.6	3.5	4.6	5.5
	1.6	2.5	3.6	4.5	5.6
	1.7	2.4	3.7	4.4	5.7
	1.8	2.3	3.8	4.3	5.8
	1.9	2.2	3.9	4.2	5.9
	1.10	2.1	3.10	4.1	5.10

Таблица 4

Последняя цифра номера зачетной книжки	Номера задач
	6.1	7.10	8.1	9.10	10.1
	6.2	7.9	8.2	9.9	10.2
	6.3	7.8	8.3	9.8	10.3
	6.4	7.7	8.4	9.7	10.4
	6.5	7.6	8.5	9.6	10.5
	6.6	7.5	8.6	9.5	10.6
	6.7	7.4	8.7	9.4	10.7
	6.8	7.3	8.8	9.3	10.8
	6.9	7.2	8.9	9.2	10.9
	6.10	7.1	8.10	9.1	10.10

Внутренние шумы в трактах приема и обработки сигналов

1.1. Шум приемника в основном обусловлен УРС и антенной. Избирательность приемника по зеркальному каналу s_зк = 4. Требуется уменьшить мощность выходного шума на 50 %. Можно ли это осуществить, повысив избирательность по зеркальному каналу?

1.2. На вход приемника подключен эквивалент согласованной антенны. При этом мощность шума на выходе блока ВЧ оказалась равной 16·10^–9 Вт. Определите приведенный к входу собственный шум приемника, если шумовая полоса блока ВЧ П_ш = 1,8 МГц, а его коэффициент передачи K _р = 60 дБ.

1.3. Приемник согласован с генератором сигнала, выходное сопротивление которого R _г = 75 Ом. Коэффициент шума приемника K _ш = 16. Определите, в каких пределах может изменяться сопротивление R _г, если допустимое увеличение коэффициента шума 12,5 %.

1.4. В состав радиоприемного устройства входят антенна, фидер и приемник. Для повышения чувствительности фидер охладили, при этом его коэффициент потерь стал равен 2 дБ, а шумовая температура 100 К. До какой температуры охлажден фидер?

1.5. Определите шумовую температуру приемника, структурная схема которого приведена на рис. 1.1.

1.6. Шумовая температура приемника 150 К. Можно ли улучшить чувствительность приемника, введя в его состав УРС, имеющий шумовую температуру 100 К и коэффициент усиления номинальной мощности K _{р ном} = 3?

Рис. 1.1

1.7. Приемник с шумовой температурой 400 К и полосой пропускания блока ВЧ 15 МГц подсоединен к согласованной антенне, имеющей Т _А = 570 К. Определите чувствительность приемника, при которой обеспечивается коэффициент различимости, равный 2.

1.8. Радиоприемник, чувствительность которого 2,4×10^–13 Вт, полоса пропускания блока ВЧ 8 МГц, работает от антенны с шумовой температурой 1110 К. Каким должен быть коэффициент шума приемника, если нормальное воспроизведение принимаемого сообщения обеспечивается при коэффициенте различимости D = 3,5?

1.9. Радиоприемник с шумовой полосой блока ВЧ 3 МГц предназначен для приема сигнала с шириной спектра 1,5 МГц. Изменятся ли коэффициент шума и чувствительность приемника, если полосу пропускания блока ВЧ уменьшить в два раза?

1.10. Радиоприемник с коэффициентом шума, равным 7,работает от антенны с шумовой температурой 1950 К. Требуется повысить чувствительность приемника не менее чем в два раза. Можно ли это сделать, снизив коэффициент шума?

Входные цепи

2.1. Преселектор приемника перестраивается переменным конденсатором (С _{к min} = 16 пФ, С _{к max} = 318 пФ). Индуктивность перестраиваемого контура 0,273 мГн. Емкость монтажа, подключаемая к переменному конденсатору, 20 пФ. Рассчитайте крайние частоты (f _{0 min} и f _{0 max}) диапазона перестройки приемника. Насколько процентов изменятся значения f _{0 min} и f _{0 max}, если емкость монтажа уменьшить до 10 пФ?

2.2. В диапазоне KB вещательного приемника ВЦ содержит один колебательный контур, а усилитель радиочастоты отсутствует. Приемник настроен на частоту 12 МГц, эквивалентная добротность контура 100. Определите, во сколько раз возрастет избирательность приемника по соседнему и зеркальному каналам, если ввести каскад одноконтурного УРЧ с той же добротностью контура?

2.3. Преселектор вещательного приемника содержит один колебательный контур. Полоса пропускания контура в диапазоне ДВ 8 МГц. Эквивалентная добротность контура в диапазоне KB 120. Как изменится избирательность приемника по зеркальному каналу, если с диапазона ДВ (f ₀ = 280 кГц) переключится на диапазон KB (f ₀ = 12,04 МГц)?

2.4. ВЧ блок приемника прямого усиления состоит из четырех идентичных каскадов с одиночными контурами, настроенными в резонанс. Какой должна быть эквивалентная добротность контуров, чтобы на частоте 1,5 МГц полоса пропускания приемника равнялась 6 кГц?

2.5. Для увеличения чувствительности приемника имеется возможность добавить один избирательный усилительный каскад. Куда целесообразно его включить – до или после преобразователя частоты (ПЧ), если одновременно необходимо увеличить избирательность по каналу: зеркальному (а), приема по промежуточной частоте (б), соседнему (в)?

2.6. Одноконтурная ВЦ имеет следующие параметры: f ₀ = 100 МГц, С _{к эк} = 20 пФ, g _к = 0,13 мСм, m ₁ = 0,3, m ₂ = 0,69. Сопротивление антенны 150 Ом, проводимость нагрузки 1 мCм. Необходимо увеличить избирательность ВЦ на частоте помехи 157 МГц на 10 дБ. Определите новые значения коэффициентов включения. Чему равен проигрыш в коэффициенте передачи?

2.7. Во сколько раз уменьшится коэффициент передачи согласованной одноконтурной ВЦ, если от режима максимального коэффициента передачи перейти к режиму заданного расширения полосы пропускания (g ₁ = 20 мСм, g _к = 1,5 мСм, g ₂ = 8 мСм, γ = 2,5)?

2.8. Как будут отличаться зависимости от частоты настройки коэффициента передачи и полосы пропускания одноконтурной ВЦ с внешней емкостной связью антенны и сигнального контура, если g _к >> g ₂ m ²₂ и g _к<< g ₂ m ²₂? В обоих случаях g ₂ = a ω₀, g ₁» 0, перестройка ВЦ осуществляется конденсатором.

2.9. Рассчитайте геометрические размеры четвертьволнового трансформатора полного сопротивления на МПЛ (f = 2 ГГц, ε = 10, h = 1 мм), согласующего R _г = 50 Ом с R _н = 10 Ом (R _г – активное сопротивление генератора, R _н – активное сопротивление нагрузки).

2.10. Подводящая линия с характеристическим сопротивлением W ₀ = 50 Ом с помощью отрезка МПЛ (длина l, характеристическое сопротивление W) согласуется с нагрузками: Z _н = 5 + j 23 Oм (a), Z _н = 5 + j 8 Ом (б). В каком случае физически осуществимо согласование? Рассчитайте величины к l и W (к – волновое число).

Дата добавления: 2015-10-29