Чувствительность приемника определение. Измерение чувствительности приемника. Основные качественные показатели радиоприемников

Чувствительностью радиоприемника называется его способность обеспечивать нормальный прием при малой величине ЭДС или мощности сигнала в антенне. Под нормальным приемом понимают такой, при котором обеспечивается установленный режим работы оконечного аппарата.

Чувствительность оценивается минимальной величиной ЭДС или мощности сигнала в антенне, при которой осуществляется нормальный прием, и измеряется в микровольтах или милливаттах. Следовательно, чем меньше ЭДС полезного сигнала в антенне, при котором получается нормальный прием, тем выше чувствительность.

В зависимости от назначения приемника величина чувствительности может быть от десятых долей микровольт до единиц милливольт или в пределах 10 -9 – 10 -19 Вт. Иногда чувствительность выражают в децибелах относительно одного ватта или милливатта.

Получение высокой чувствительности связано в основном с усилительными свойствами приемника и практически может быть реализовано только при условии, что уровень собственных шумов на выходе приемника меньше уровня сигнала.

Величина допустимого превышения уровня сигнала над уровнем шумов устанавливается в зависимости от характера принимаемых сигналов.

Представим структурную схему РПУ в виде рис.7

Антенна представлена в виде эквивалентного генератора с ЭДС Е А, наводимой полем принимаемого сигнала, а внутреннее сопротивление генератора R А равно сумме сопротивлений излучения и потерь антенны. Сам радиоприемник разделен на две части – линейную и нелинейную. В состав линейной части включены все усилительные и избирательные элементы, стоящие до детектора.

Рисунок 7 – Структурная схема РПУ

Линейной эту часть называют потому, что амплитуда сигнала здесь мала и изменение мгновенных значений его происходит в пределах настолько малого участка характеристики, что нелинейность его не проявляется.

В состав нелинейной части входят детектор и усилитель электрического сигнала с его фильтрами. Здесь амплитуда сигнала обычно значительно больше, чем в додетекторной части. Поэтому необходимо учитывать нелинейность характеристик соответствующих элементов.

На выходе приемника включена нагрузка R н, эквивалентная входному сопротивлению воспроизводящего устройства.

Реальная чувствительность оценивается той наименьшей ЭДС сигнала в антенне Е Аор (или мощностью Р сор), при которой обеспечивается нормальная выходная мощность P N при заданном соотношении сигнал/шум на выходе приемника.

Под нормальной выходной мощностью понимают величину, равную 10% номинальной мощности. Иногда оговаривается нормальное напряжение, величина которого соответствует нормальной мощности на заданном сопротивлении нагрузки:

Заданное соотношение сигнал/шум на выходе приемника определяется видом принимаемого сигнала. Для некоторых случаев необходимое соотношение мощности сигнала к мощности шума приведено в таблице 1.

Таблица 1

Иногда соотношение сигнал/шум задается по напряжению.

где U с, U ш, Р с и Р ш – напряжения и мощности сигнала и шума соответственно на выходе радиоприемника.

Реальная чувствительность Е Аор (или Р сор) неудобна для сравнения радиоприемников с различными трактами усиления электрического сигнала и воспроизводящими устройствами. Кроме того, реальная чувствительность зависит от режима работы детектора и от субъективных свойств оператора, воспринимающего сигнал на выходе приемника. Поэтому, введена предельная чувствительность Е Аоп (или Р соп), которая характеризует только линейную часть радиоприемника. Определяется предельная чувствительность наименьшей ЭДС радиосигнала Е Аоп в антенне или мощностью Р соп, при которых на выходе линейной части соотношение сигнал/шум равно единице

Так же, как ЭДС, мощность сигнала в антенне должна быть независимой от нагрузки, характеризовать только источник сигнала.

Номинальная мощность источника ЭДС – максимальная мощность, которую источник может отдать в нагрузку (иногда ее называют располагаемой мощностью, мощностью, которой источник располагает). Номинальная мощность отдается источником в нагрузку при согласовании – равенстве активных составляющих и компенсации реактивных составляющих внутреннего сопротивления источника ЭДС и сопротивления нагрузки.

Определяя мощность, отдаваемую источником ЭДС в нагрузку при R и =R н, легко показать, что номинальная мощность источника .

Следовательно,

При всех других условиях мощность, отдаваемая в нагрузку, будет меньше номинальной.

Использование для оценки чувствительности приемника номинальной мощности сигнала в антенне позволяет учесть не только его усиление от входа приемника до выхода, но влияние того, как мощность от антенны передается ко входу приемника.

Из определения номинальной мощности вытекает и определение коэффициента усиления номинальной мощности К нр – отношение номинальной мощности на выходе приемника (или любого четырехполюсника) к номинальной мощности источника сигнала.

В случае, когда радиосигналы на входе РПУ достаточно большой величины и не требуется большого их усиления, чувствительность приемника ограничивается усилением его линейного тракта.

Для нормального протекания процесса детектирования на вход детектора должен быть подан сигнал определенной амплитуды U mc =U m вх дет. Если известна величина коэффициента усиления линейной части тракта приемника К о, настроенной на частоту ¦ о, равную несущей частоте принимаемого сигнала ¦ с, то наименьшая ЭДС сигнала в антенне, соответствующая чувствительности приемника,

Обычно Е Ао задается в действующих значениях, а U вх дет - в амплитудных. Этим объясняется введение коэффициента в знаменатель формулы.

Один приятель спрашивает у другого:
- А почему вот тот, разговаривающий по сотовому человек,
постоянно приседает и снова встает?
- Он волну ловит или снайперов боится.
Анекдот на злобу дня (с)

Введение

Немного теории

Сотовый телефон существо почти живое. Он всегда пытается пообщаться с базовой станцией. Это происходит вне зависимости от желания владельца. Разумеется, если трубка находится во включенном состоянии. Базовая станция передает сигнал для трубки на частотах 935,2 – 959,8 МГц (важно! Речь идет о GSM900), а мобильный телефон вещает на частотах 890,2 – 914,8 МГц. Суровые математические расчеты говорят о том, что максимально возможное расстояние между сотовым телефоном и базовой станцией может составлять 35 км. Это связано с работой технологии TDMA – каждой мобильной станции выделяется тайм-слот в 0,577 миллисекунд (точнее говоря, работает отношение 15/26), за это время мобильная станция должна успеть ответить соте. Скорость распространения радиоволн конечная и хорошо известная - 300 тысяч км/с, максимальное расстояние вычисляется как простое перемножение времени на скорость. Вот так и получаются эти самые 35 км. Впрочем, если теоретическое вычисленное значение выглядит очень красиво, то в реальности всё обстоит несколько иначе. Для GSM-900 существует 5 классов мощности сотовых аппаратов: 1-й – 20 Вт, 2-й – 8 Вт, 3-й – 5 Вт, 4-й – 2 Вт и 5-й – 0,8 Вт. Реально мы не встречали ни одной носимой трубки с мощностью больше 2 Вт. Пробить расстояние в 35 км при таких характеристиках невозможно. Если увеличить мощность базовой станции достаточно просто – надо установить трансформатор помощнее и договориться с органами надзора, то дать каждому пользователю генератор или кислотный пятидесятикилограммовый аккумулятор за спину не представляется возможным. Против абонента сотовой сети играет буквально всё: погода, рельеф, инфраструктура и многое другое. Так что реальное расстояние, на котором связь возможна в каждом конкретном случае, достигается простым экспериментом с сотовым телефоном. Иными словами, вам дается самый реальный повод достоверно измерить «чувствительность» вашего сотового аппарата в полевых условиях. Помните, что измеренная вами величина будет крепко накрепко привязана к конкретному сотовому телефону и изменчивым погодным условиям. Взять пару трубок на тест в магазине мобильников вам, скорее всего, не позволят. Поэтому имеет смысл только одно действие – будьте наблюдательны. Допустим, вы оказались в зоне не совсем уверенного приема. Поспрашивайте у товарищей, как дела обстоят с их сотовыми переговорами. Такой опыт не является высшей гарантией успеха при покупке. Мы писали ранее, что даже в одной поставке трубки одной марки могут работать по-разному. Даже пайка роботом не может гарантировать абсолютно идентичного соединения проводников, что уж говорить о полупроводниках и однородности антенн.

Вижу, но совсем не слышу!

Идем дальше. Трубка меряет мощность входного сигнала. Разумеется, сделать это без ошибки нельзя. Стандарты GSM предусматривают допустимую ошибку измерения при работе в обычных условиях в 6,3 раза (+/-4 дБ). Для «жестких» условий работы, будь то, например, очень низкая температура, стандарт разрешает сделать погрешность в 15,8 раза (+/-6 дБ). Все эти погрешности реально работают для полностью исправных трубок. Жить без них было бы очень сложно, так как производители мобильников физически не способны обеспечить эталонный замер входящей мощности. После того, как мы узнали о погрешности измерения мощности, остается перейти к конкретному примеру. Допустим, что вы со своей трубкой оказались в месте, где реальный уровень сигнала базовой станции равен -103 дБ. Настройки общей работы сети поставлены таким образом, что они сообщают трубке, что доступ к ней разрешен при уровне измеренного сигнала -105 дБ. Разумеется, тут и вылезают все наши погрешности. Приемник мобильника изготовлен так, что уровень сигнала занижается на 4 дБ. Измеренный трубкой сигнал составит -107 дБ. Итак, полностью рабочая и отвечающая всем стандартам трубка будет сброшена из сети, так как она не имеет права быть включенной в систему. Другой сотовый телефон имеет такую реализацию, что он будет завышать измеренный сигнал на 4 дБ. Он сумеет зарегистрироваться в сети и покажет ее логотип на экране. Скажем больше, что если фактический уровень сигнала для такой трубки будет составлять -108 дБ (по месту, где она находится), то аппарат все равно будет исправно регистрироваться в сети оператора. Вот вам и «чувствительность» сотовых аппаратов. Так что наличие логотипа на экране вашего телефона говорит о регистрации трубки в сети, но не гарантирует нормальной связи. Однако это все равно приятно. Попытка поговорить иногда может быть засчитана за сам вызов. Так что, уважаемые читатели, желаю вам иметь трубку с таким приемником и измерительным трактом, который постоянно будет завышать уровень мощности сигнала от базовой станции. Таким образом, мы полностью разрушили миф о том, что пользователи разных сотовых телефонов могут меряться уровнями сигнала, который отображается на экранах их мобильников. Действительно, такие разговоры ведутся только от глубокой безграмотности в вопросе. Впредь, когда у вас будут спрашивать об уровне сигнала и апеллировать к информации на экране трубки, то не стоит тратить время на пустые разговоры. Смысла нет сравнивать измеренную мощность входящего сигнала, а про «эталонные кубики» совсем стоит забыть. Как этот производитель телефона пересчитывает в них данные остается загадкой. Тратить свое время на ее раскрытие опять же не имеет смысла.

Пляски с сотовым

Extended Cell

Не так давно рядом с Санкт-Петербургом на Финском заливе один из операторов использовал Extended Cell. Абоненты могли видеть на экране своих мобильников название этого оператора с восклицательным знаком. Это означало, что трубка видела сеть, но не могла с ней общаться. Проблема решалась с использованием внешних направленных антенн, когда выходной сигнал аппарата усиливался. Таким образом, Extended Cell позволяет покрыть гигантские малолюдные территории. Впрочем, их применение находит все меньшую популярность. В Сибири такие соты не поставишь все равно, а курортные районы по своей сотовой нагрузке давно переплюнули центры мегаполисов по интенсивности телефонных переговоров. Extended Cell физически не могут обслужить такие места, да и требование дополнительной антенны не делают этому способу связи должной популярности.

Внимание, жулики

Создатели наклейки рекомендуют наклеить ее под аккумулятор. Логичный ход. Там наклейка не будет мешать и не помешает работать настоящей антенне. Кстати, на расчеты последней уходят огромные силы. Каждая антенна по-своему уникальна и общей панацеи для всего этого многообразия быть не может. Мошенники могут только расстроить работу вашей штатной антенны. Возможно, внести помехи и шумы. Сомнительно так же рекламное утверждение, что один стикер заменяет антенну длинной в метр. Необходимости в такой длине просто быть не может. Конечно, можно собрать метровую антенну, но это будет очень сложная и не очень нужная система. Одним словом, дурят нашего брата. Кстати, ноги у этой наклейки растут из Азии. Там действительно одно время продавали сотовые телефоны и специальные антенны в виде наклеек к ним. Однако от системы отказались, так как пользователи просто не могли их правильно наклеить. Важно было точно позиционировать стикер в нужной части мобильника. Задача оказалась непосильной. Так что не стоит тратить свои деньги и поощрять мошенников.

Заключительное слово

Лекция №6 н.

Внутренние шумы и чувствительность приемника .

Собственное сопротивление антенны, ее тепловой шум и шумы входных цепей радиоприемника являются факторами, влияющими на чувствительность радиоприемника - т.е. способность приемника обеспечивать прием слабых радиосигналов. Основное влияние имеет шум, возникающий во входных каскадах радиоприемника, поскольку он усиливается в той же степени, как и полезный сигнал.

Как известно, каждый проводник, имеющий сопротивление, создает электрические флуктуации - шум во всем частотном спектре. Этот шум обусловлен тепловым движением носителей электрического заряда. Случайное тепловое движение носителей заряда в проводнике вызывает случайную разность потенциалов на его концах. Эта разность потенциалов колеблется около среднего значения, равного нулю, а ее средний квадрат пропорционален абсолютной температуре. Этот шум называют тепловым. Величина шума зависит от омического сопротивления проводника, его температуры и ширины полосы передаваемого сигнала. Среднеквадратическое напряжение теплового шума, В, определяется из выражения

где k - постоянная Больцмана, k = 1, 38٠10 -23 Дж/К; Т - температура, К; В - ширина полосы, Гц; R - сопротивление, Ом,

Приемник является устройством, состоящим из множества активных и пассивных элементов, обладающих активным сопротивлением, Линейная часть радиоприемника от входа до детектора характеризуется безразмерным коэффициентом шума F, который показывает во сколько раз отношение мощностей сигнала и шума на входе Рс/Рш больше отношения мощностей сигнала и шума на выходе Р С.Вых /Р ш.вых :

В настоящее время принято использовать коэффициент шума, выраженный в децибелах. В идеальном нешумящем приемнике коэффициент шума F = 1 (О дБ), так как сигнал и шум усиливаются в одинаковое число раз. В реальных приемниках коэффициент шума увеличивается из-за внутренних шумов, в результате чего мощность шумов на выходе возрастает, а выходное отношение сигнал-шум уменьшается.

Выходную мощность Рш.вых можно представить в виде двух слагаемых: Р Ш G обусловленного усилением шума источника, и Рвн, обусловленного внутренними, собственными шумами, где G - коэффициент усиления по мощности приемника. Тогда (2.16) можно преобразовать к следующему виду:

(5.17)

Для того чтобы можно было сравнивать различные приемники по шумовым свойствам, в качестве входного шума Рш используют стандартное значение мощности теплового шума резистора R при Т = 293 К:

Иногда используют другое значение температуры - 299 или 300 К, при этом числовое значение Рш изменяется несущественно.

Чувствительность радиоприемника, оцениваемая лишь значением мощности сигнала Рс, при которой обеспечивается прием сигнала, учитывает лишь усилительные свойства радиоприемника. Может показаться, что путем увеличения усиления можно осуществлять прием любых сколь угодно слабых сигналов. На самом деле приемник с большим усилением неизбежно усиливает и свои внутренние шумы, которые и ограничивают его чувствительность.

Отношение мощности сигнала к мощности шумов на выходе линейной части приемника характеризует отношение сигнал-шум, иногда называемое коэффициентом различимости,

Предельная чувствительность приемника равна минимальной мощности входного сигнала на входе Рс = Р Спр при коэффициенте различимости q = 1, при этом

Таким образом, предельная чувствительность приемника пропорциональна коэффициенту шума.

Уверенный прием полезного сигнала обеспечивается при значительном превышении мощности полезного сигнала Р С.ВЬ1Х над шумом Р Ш.ВЫХ, т.е. при коэффициенте различимости q > 1. Реальная чувствительность приемника оценивается минимальной мощностью входного сигнала Рс, при котором достигается заданный коэффициент различимости q > 1, т.е.

Рис. 5.14. Эквивалентная схема для определения чувствительности РПУ

Получим расчетную формулу для определения реальной чувствительности радиоприемного устройства. Полагая, что источник имеет внутреннее сопротивлением Rи, как показано на рис. 5.14, мощность шума на входе приемника

(5.22)

Для того чтобы максимальная мощность отдавалась в нагрузку, должно выполняться условие равенства внутреннего сопротивления источника и сопротивления нагрузки тогда

Полагаем, что шумы имеют тепловое происхождение и определяются формулой (5.15), тогда реальная чувствительность приемника

(5.24)

Следует помнить, что при Rи = R BX напряжение на входе приемника в два раза меньше напряжения, действующего на выходе источника в режиме холостого хода.

Для расчета параметров радиоаппаратуры удобно использовать логарифмические единицы. Коэффициент шума, выраженный в децибелах,

NF =10lgF. (5.26)

Чувствительность, выраженная в децибелах по отношению к милливатту (дБмВ), определяется формулой

Проверим, сильно ли меняется чувствительность приемника при изменении окружающей температуры. Очевидно, что в последнем выражении от температуры зависит только второе слагаемое а .

При Т = 223 К (-50 °С) а = -175,1 дБм, при Т = 353 К (+60 °С) а= -173,4 дБм. Таким образом, при изменении температуры на 110 °С чувствительность изменилась менее, чем на 2 дБ. Для комнатной температуры Т = 293 К (20 °С) выражение (5.27) можно переписать в упрощенном виде:

ДБм, (5.28)

где Q=10lgq -требуемое отношение сигнал-шум на выходе приемника (коэффициент различимости), дБ.

Для идеального приемника без собственных шумов F = 1, и в полосе 1 Гц пороговая чувствительность, т.е. чувствительность при отношении сигнал-шум на выходе Q p = 0 дБ, равна -174 дБм.

Используя (5.25), при температуре Т = 293 К и входном сопротивлении Rн = 50 Ом чувствительность по напряжению, выраженную в децибелах по отношению к микровольту (дБмкВ), можно вычислить по формуле

Например, чувствительность приемника с полосой пропускания В = 10 кГц и коэффициентом шума NF = 12 дБ при выходном отношении сигнал-шум Q = 10 дБ

U С = 10-61 + 10 lg10000+ 12= 1 дБмкВ, (5.30)

или в микровольтах Uc = 1,08 мкВ,

В англоязычной литературе для обозначения коэффициента шума используются термины noise figure или noise factor, для обозначения чувствительности - sensitivity.

Повышение чувствительности с помощью предварительных усилителей. Любой усилитель воспринимает шумовой сигнал как входной сигнал. При последовательном включении электронных звеньев (каскадов) каждое звено усиливает и сигналы и шумы, прошедшие через предыдущие звенья, добавляя при этом собственный шум.

Определим коэффициент шума последовательного соединения трех звеньев, показанных на рис. 5.15. В соответствии с формулами (5.16) и (5.17) общий коэффициент шума

(5.31)

где G 1 , G 2 , G 3 - коэффициенты усиления по мощности первого, второго и третьего звена; Р ш2 - выходной шум второго звена; Р ш3 - внутренний (собственный) шум третьего звена. Представляя выходной шум второго звена в виде суммы внутреннего шума и усиленного входного шума, а затем аналогично выходной шум первого звена, получим

(5.32)

Рис. 5.15. Последовательное соединение каскадов в РПрУ

Из (5.17) следует что

Подставляя P ВН в (5.32), получим

Выполнив сокращения, получим окончательный вариант коэффициента шума для трех последовательно включенных звеньев:

(5.35)

По аналогии с (5.35) запишем выражение для коэффициента шума для произвольного числа последовательных звеньев:

(5.36)

В литературе последнее выражение называют Формулой Фриса .

Из формулы Фриса видно, что шум всей цепи определяется, в первую очередь параметрами первого звена. Вкладом последующих компонентов практически можно пренебречь, если коэффициент усиления первого звена будет большим.

Следует отметить, что коэффициент шума и коэффициент передачи каждого звена в общем случае будут зависеть от частоты, т.е. иметь различные значения в разных частотных диапазонах. Это означает, что конкретные расчеты можно проводить только в определенных частотных интервалах.

Как правило РПрУ подключается к антенной системе с помощью соединительного кабеля. Как и любой электрический прибор с потерями, коаксиальный кабель имеет собственный уровень шума. При комнатной температуре коэффициент шума коаксиальной линии равен потерям в кабеле. С увеличением частоты потери в коаксиальном кабеле растут, на рис. 5.16 приведены зависимости погонного ослабления (на 1 м длины) от частоты для некоторых марок отечественных коаксиальных кабелей. Как видно из рисунка, величина затухания сигнала в кабеле, а следовательно и его коэффициент шума растут с увеличением частоты передаваемого сигнала. Значения затухания данных гибких коаксиальных кабелей на частоте 1000 МГц находятся в пределах от 0,1 до 0,6 дБ/м, на частоте 2000 МГц - в пределах от 0,2 до 1 дБ/м.

При достаточной длине кабеля его коэффициент шума будет весьма значительным, что резко уменьшит чувствительность радиоприемной системы. Например, если потери в кабеле на частоте 2000 МГц составляют 0,5 дБ/м, то кабель длиной 30 м будет иметь коэффициент шума NF = 15 дБ.

Первым возможным вариантом уменьшения коэффициента шума кабельной линии является использование кабеля с меньшим затуханием. К сожалению, цена подобного кабеля с малыми потерями очень высока.

Вторым возможным вариантом является минимизация длины кабеля или, в идеальном случае, установка РПрУ непосредственно у приемной антенны. Если приемник имеет малые габаритные размеры, то тогда эта задача существенно упрощается, например приемник радио-пеленгационной системы можно разместить непосредственно в основании антенной решетки.

Наконец, третьим возможным вариантом уменьшения влияния коэффициента шума кабеля является применение малошумящего усилителя (МШУ), размещенного в непосредственной близости к приемной антенне (рис. 5.17). Усилитель должен иметь коэффициент шума, не превышающий несколько децибел, а также необходимое усиление.

Пример. Используется МШУ с коэффициентом шума NF1 = 4 дБ и усилением G 1 = 30 дБ, соединительный кабель имеет коэффициент шума NF 2 = 10 дБ и ослабляет сигнал на G 2 = -10 дБ, приемник имеет коэффициент шума NF3 = 12 дБ.

Переведем эти значения в абсолютные единицы. Для МШУ F 1 = 2,512, G 1 = 1000. Аналогично получим для кабеля и приемника: F2 = 0,1; F3 = 15,849.

Рис. 5.17. Пример использования малошумящего предварительного усилителя для уменьшения влияния коэффициента шума кабельной линии

Найдем общий коэффициент шума

или в децибелах NF = 4,3 дБ. Если бы предварительного усилителя не было, то общий коэффициент шума

или в децибелах NF* = 22 дБ. Таким образом, предварительный усилитель с собственным коэффициентом шума NF 1 = 4 дБ и усилением G 1 =30 дБ повысил чувствительность системы на Δ= NF* - NF = 22 - 4,3 = 17,7 дБ.

Возникает вопрос, а как при заданном коэффициенте шума правильно выбрать коэффициент усиления МШУ? С увеличением коэффициента усиления предварительного усилителя G 1 общий коэффициент шума системы асимптотически будет стремиться к его собственному коэффициенту шума.

На рис. 5.18 приведены зависимости коэффициента шума системы от коэффициента усиления МШУ для трех типов соединительного кабеля с коэффициентом шума 5, 10 и 15 дБ. Значения других параметров системы остались без изменений. Из приведенных зависимостей видно, что при использовании кабеля с коэффициентом шума NF 2 = 5 дБ необходимое усиление предварительного усилителя должно быть около 20 дБ, для кабеля с коэффициентом шума 10 дБ необходимо усиление25 дБ, наконец, для кабеля с коэффициентом шума 15 дБ необходимо усиление 30 дБ. При этом очевидно, что дальнейшее увеличение усиления предварительного усилителя практически не улучшает коэффициент шума системы.

Рис. 5.18. Зависимость коэффициента шума системы от коэффициента усиления предварительного усилителя

Если широкополосные сигналы имеют высокий уровень и занимают широкую полосу частот, то предварительный усилитель может перегрузиться. Следовательно, главное внимание нужно уделять его линейности, особенно, если на его входе нет фильтров предварительной селекции. Кроме того, в измерительных системах должен использоваться МШУ с калиброванным усилением, чтобы свести к минимуму погрешности измерения.

Выбор коэффициента усиления предварительного усилителя . Под динамическим диапазоном D приемника (или его отдельных каскадов) понимается отношение уровней максимально возможного и минимально возможного входного сигнала. Обычно динамический диапазон выражается в децибелах, тогда

Минимальные значения уровней обычно равны пороговой чувствительности приемника, максимальные значения определяются допустимым уровнем нелинейных искажений на выходе.

Вернемся к типовой схеме подключения антенной системы к РПУ с помощью соединительного кабельной линии. Как было показано выше, для того чтобы уменьшить вредное влияние собственных шумов кабеля, необходимо сразу после антенной системы устанавливать предварительный усилитель с малым коэффициентом шума. Увеличение коэффициента усиления асимптотически уменьшает общий коэффициент шума системы. Для гипотетического случая, когда коэффициент усиления равен бесконечности, коэффициент шума всей системы будет равен коэффициенту шума усилителя.

В приведенном выше примере МШУ с собственным коэффициентом шума NF 1 = 4 дБ и усилением G 1 = 30 дБ повысил чувствительность системы на Δ = 17,7 дБ, т.е. фактически на эту величину расширил динамический диапазон системы в области, малых значений,

С другой стороны, с увеличением коэффициента усиления динамический диапазон системы в области больших значений уменьшается на разность между коэффициентом усиления усилителя и величиной, на которую расширился динамический диапазон в области малых значений. Например, в рассмотренном выше примере динамический диапазон системы уменьшился на G 1 - Δ = 30 - 17,7 = 12,3 дБ. Из рис. 5.18 видно, что, начиная с некоторой величины, увеличение коэффициента усилений предварительного усилителя практически не приводит к уменьшению коэффициент шума. Следовательно, чтобы избежать чрезмерного уменьшения динамического диапазона, коэффициент усиления предварительного усилителя не должен превышать некоторого необходимого значения, достаточного для получения требуемого коэффициента шума и чувствительности системы. Из рис. 5.18 видно, что если задаться общим коэффициентом шума системы NF ≤ 5 дБ, то при кабеле с N F 2 = 5 дБ коэффициент усиления МШУ G 1 = 20 дБ, для кабеля с NF 2 = 10 дБ G 1 =25 дБ, наконец, для кабеля с коэффициентом шума NF 2 = 15 G 1 =30 дБ.

Многосигнальная избирательность приемника характеризует способность приемника выделять слабый полезный сигнал в присутствии мощных мешающих сигналов, находящихся вне полосы приема, Помехи от этих сигналов возникают в смесителе. Если бы смеситель абсолютно точно перемножал напряжения сигнала и гетеродина, то никаких помех от внеполосных сигналов не возникало бы вообще. Каждый входной сигнал давал бы на выходе смесители свою разностную частоту, и многосигнальная избирательность приемника совпадала бы с односигнальной избирательностью. Реальные смесители такой способностью не обладают. Они, во-первых, смешивают различные входные сигналы между собой так, что один служит гетеродинным сигналом для другого, а это вызывает интермодуляционные помехи; во-вторых, детектируют сигналы, что приводит к перекрестным помехам - переносу модуляции с мешающего сигнала на полезный; в-третьих, детектируют мощный входной сигнал, что приводит к блокировке - изменению коэффициентов передачи линейных каскадов.

Интермодуляционные помехи. Интермодуляция в приемнике - это возникновение помех на выходе радиоприемника при действии на его входе двух и более мешающих сигналов, частоты которых находятся вне основного и побочных каналов приема. Такие помехи называют интермодуляционными. Причина их появления - нелинейность амплитудной функции передачи сигнала активных элементов ВЧ тракта,

Амплитудной характеристикой (АХ) приемника или его отдельных каскадов называется зависимость амплитуды (или действующего значения) выходного напряжения от амплитуды (или действующего напряжения) входного гармонического напряжения постоянной частоты. На рис. 5.19 штриховой линией приведена АХ идеального тракта, сплошной - АХ реального тракта

Характеристика реального тракта разбивается на следующие участки: участок суперпозиции сигнала и шумов (помех) - I (между точками E Ш и Uвх min), линейный участок - II (между точками Uвх min и Uвх mах), участок перегрузки - III (между точками Uвх mах и Е вх компр).

Амплитудные характеристики идеального и реального трактов совпадают на линейном участке II. На этом участке АХ - прямая линия, угол наклона которой определяет коэффициент передачи тракта по напряжению.

Рис. 5.19. Амплитудная характеристика тракта

На участке II AX реального тракта не проходит через начало координат. Даже при Uвх = 0 на выходе тракта имеется некоторое напряжение Un, обусловленное действием флуктуационных шумов и помех в тракте.

На участке III АХ реального тракта отстает от АХ идеального тракта, что связано с перегрузкой реального тракта при больших уровнях входного сигнала. Для нормальной работы тракта должно соблюдаться условие Uвx.min < U< Uвx.max.

Рассмотрим влияние нелинейности функции передачи аналогового тракта на изменение амплитуды полезного сигнала.

Аппроксимация коэффициента передачи тракта весьма сложна, но основные закономерности нелинейных преобразований можно уяснить, если воспользоваться простой моделью в виде нелинейного четырехполюсника, у которого вольтамперная (амплитудная) характеристика, т.е. зависимость тока выходного сигнала от напряжения входного, имеет вид степенного многочлена:

Для анализа возникающих в результате нелинейного преобразования комбинационных составляющих ограничимся кубичным полиномом:

(5.41)

В качестве мгновенного значения входного сигнала u вх примем сумму двух сигналов:

Подставив выражение (5.42) в (5.41), после возведения в степень получим

(5.43)

Используя известные тригонометрические соотношения:

(5.44)

Формулу (5.43) преобразуем к виду

(5.45)

Следует отметить, что использование кубичного полинома для аппроксимации коэффициента передачи радиоприемного тракта позволяет проиллюстрировать возникновение гармоник и новых частотных составляющих, но не обеспечивает корректное вычисление амплитуд этих составляющих, соответствующих практическим амплитудным характеристикам. В технической литературе рассматриваются более сложные методы анализа нелинейных преобразований, например базирующиеся на использовании рядов Вольтера .

Тем не менее, рассмотренный пример показывает, что в спектре тока, текущего через нелинейный элемент, характеристика которого задается полиномом третьей степени, помимо составляющих на частотах ω 1 и ω 2 , возникают дополнительные спектральные составляющие, частоты которых представлены в табл. 5.1.

Таблица 5.1-Комбинационные составляющие

Частоты спектральных компонентов на выходе нелинейного элемента принято называть комбинационными частотами. Комбинационные частоты задаются выражением вида

где n - любые положительные и отрицательные целые числа, включая нуль.

Рис. 5.20. Продукты интермодуляции второго и третьего порядков.

Комбинационные частоты принято группировать, объединяя вместе все частоты, для которых

(5.47)

Число N называют порядком комбинационной частоты. Существует закономерность : слагаемое со степенью N в нелинейной характеристике тракта обусловливает появление комбинационных составляющих с предельным порядком, равным N. Если N четное число, то возникают комбинационные составляющие четных порядков: N, N-2, N-4 вплоть до постоянной составляющей N = 0. Если N нечетное число, то порядки комбинационных частот также нечетны: N, N-2, N-4 вплоть до N = 1.

Интермодуляционные характеристики являются крайне важными показателями для определения качества, так как в большинстве случаев приемник вынужден работать в сложной электромагнитной обстановке в присутствии сильных мешающих сигналов на других частотах,

На рис. 5.20 показано возможное расположение интермодуляционных составляющих второго и третьего порядков, возникающих при подаче на вход тракта двух синусоидальных сигналов равного уровня.

Как видим, продукты с четным порядком образуются дальше по оси частот от входных сигналов, чем продукты с нечетным порядком.

Большее значение для приемника имеют параметры, характеризующие количественно соотношение полезного сигнала и интермодуляционных составляющих.

Магнитные антенны широко применяются в радиоприемных устройствах для приема сигналов в ДВ, СВ и реже KB диапазонах. Для измерения чувствительности в точке расположения антенны радиоприемника с помощью известной методики создают электромагнитное поле известной напряженности. В статье проведен анализ этой методики и приведены рекомендации по ее усовершенствованию.

Чувствительность радиоприемника - такая величина входного сигнала, при которой на его выходе создается определенное отношение сигнал/шум. При измерении чувствительности по напряжению вход радиоприемника подключают к генератору сигналов через эквивалент антенны - электрическую цепь, имитирующую параметры внешней антенны. Для радиоприемников с магнитной антенной проводят измерения чувствительности по полю, но в технической литературе этому вопросу уделяется очень мало внимания. Обычно все сводится к ссылке на якобы хорошо известные методики , суть которых заключается в создании заданной напряженности магнитного поля с помощью рамки с током, подключенной к измерительному генератору. Изменяя сигнал генератора с учетом коэффициента преобразования рамки, находят напряженность поля, при которой выходной сигнал радиоприемника имеет требуемые параметры.

Ознакомление с источниками показало, что имеется в виду одна и та же методика, в которой применена одновитковая рамка квадратной формы со стороной 380 мм, выполненная из медной трубки диаметром 3...5 мм. Ее через резистор сопротивлением 80 Ом подключают непосредственно к выходу генератора сигналов. Середину магнитной антенны радиоприемника располагают на расстоянии 1 м от центра рамки так, чтобы ось антенны была перпендикулярна плоскости рамки. При этом напряженность поля (мВ/м) в точке расположения магнитной антенны численно равна выходному напряжению генератора сигналов (мВ).

Применение этой методики при использовании современных генераторов ВЧ сигналов привело к удручающим результатам - измеренная чувствительность радиоприемников оказалась хуже ожидаемой примерно в десять раз. Более подробное изучение этой ситуации показало, что данная методика была разработана для случая использования генератора ГСС-6, в котором при отключении выносного аттенюатора выходной сигнал в десять раз больше показаний его аттенюатора (выносной аттенюатор имеет коэффициенты передачи 10, 1 и 0,1). Следовательно, напряжение на рамке оказывается в десять раз больше, а суммарный коэффициент преобразования сигнала генератора в электромагнитное поле равен 1 за счет того, что коэффициент преобразования измерительной рамки равен 0,1. Кроме того, выходное сопротивление генератора ГСС-6 в этом режиме равно 80 Ом, что и объясняет сопротивление добавочного резистора. Но современные генераторы ВЧ сигналов, как правило, имеют выходное сопротивление 50 Ом. Все это побудило заняться корректировкой известной методики проверки чувствительности приемников с магнитной антенной.

Начнем с самой магнитной рамки. Так называемая стандартная рамка состоит из одного витка квадратной формы со стороной 380 мм и применяется в диапазоне частот 0,15...1,6 МГц. Очевидно, что ее размеры много меньше длины волны Я., а расстояние от рамки до магнитной антенны больше ее размеров, поэтому в рабочем диапазоне частот она представляет собой элементарный магнитный излучатель.

Анализ поля элементарного магнитного излучателя показывает, что на расстояниях r

Используя выражения для напряженности магнитного поля по этим направлениям и перейдя от магнитного момента вибратора к рамке с током , получим

где H1 Н2 - напряженность магнитной составляющей поля в точках 1 и 2 (см. рисунок) соответственно; S - площадь рамки, м2; I - ток в рамке, А; г - расстояние между центрами рамки и магнитной антенны, м; А,-длина волны сигнала, м.

Выражения (1), (2) позволяют рассчитать напряженность магнитного поля на любом расстоянии от рамки в двух направлениях. Можно показать, что при малых расстояниях {λ/2π) они совпадают с выражениями для магнитного поля рамки с постоянным током. Но напряженность электромагнитного поля принято измерять по напряженности его электрической составляющей. В сформировавшемся электромагнитном поле существует строгая зависимость между напряженностью электрической и магнитной составляющих. Чтобы найти напряженность электрической составляющей поля, которая соответствует известной магнитной составляющей, необходимо выражения (12) умножить на волновое сопротивление среды, для воздуха равное 120π . С учетом того, что на малых расстояниях 2πr

где E1,E2 - напряженность электромагнитного поля в точках 1 и 2 (см. рисунок) соответственно.

Полученные выражения показывают, что напряженность электромагнитного поля вблизи рамки с током зависит от ее площади, значения тока, обратно пропорциональна кубу расстояния и не зависит от длины волны. При этом напряженность поля в первом направлении в два раза больше, чем во втором. Этим, в частности, объясняется тот факт, что в металлоискателях в большинстве случаев используется положение катушки, параллельное исследуемой поверхности.

Используя выражения (3), (4), можно рассчитать напряженность поля для рамки любых приемлемых размеров при известном токе и расстоянии. Однако удобнее связать напряженность поля с выходным сигналом генератора сигналов, к которому подключена рамка. Для задания тока последовательно с ней включают добавочный резистор. Обычно индуктивное сопротивление рамки пренебрежимо мало и его можно не учитывать. В этом случае ток в рамке без учета его индуктивного сопротивления равен

где U - выходное напряжение (по показаниям его аттенюатора) генератора, В; Rr - выходное сопротивление генератора, Ом; Rд- сопротивление добавочного резистора, Ом.

В итоге получены выражения

где К1 К2 - коэффициент преобразования напряжения сигнала генератора в напряженность электромагнитного поля при положении приемной антенны в точках 1 и 2 (см. рисунок) соответственно.

Выражения (5), (6) позволяют рассчитать коэффициент преобразования выходного сигнала генератора в значение напряженности электромагнитного поля либо определить площадь рамки или расстояние до нее для заданного значения коэффициента преобразования. В соответствии с ними в известной методике коэффициент преобразования для квадратной рамки со стороной 380 мм, генератора с выходным сопротивлением 80 Ом и добавочным резистором с таким же сопротивлением дает значение 0,108 при расстоянии 1 м. Очевидно, что в этой методике рамка была рассчитана на коэффициент преобразования 0,1. Небольшая погрешность, скорее всего, вызвана округлением размеров рамки в сторону увеличения и для измерения чувствительности не имеет существенного значения.

Для современных генераторов сигналов с выходным сопротивлением 50 Ом с такой рамкой при сопротивлении добавочного резистора 80 Ом коэффициент преобразования K1 = 0,133, а с добавочным резистором 51 Ом К1 = 0,172, что неудобно для практического использования.

Размеры рамки (ее площадь) при коэффициенте преобразования К, = 1 можно определить из выражения (5). Для r = 1 м, Rr = 50 Ом, Rд = 51 Ом площадь должна составлять 0,84 м2. Это соответствует квадратной рамке со стороной около 0,917 м или круглой диаметром 1,035 м. Но ее индуктивность, в зависимости от примененного диаметра провода, будет 4...4,5 мГн, что приведет к заметной зависимости тока в рамке от частоты сигнала на частотах свыше 1 МГц. Кроме того, такие размеры становятся соизмеримыми с расстоянием до антенны, из-за чего формулы, полученные для элементарного магнитного излучателя, становятся не применимыми.

Удобнее использовать коэффициент преобразования К1 =0,1, что позволит применить сравнительно небольшую рамку площадью 0,085 м2 - это соответствует квадратной рамке со стороной 291 мм или круглой диаметром 328 мм. При диаметре проводника 3 мм ее индуктивность - около 1 мГн. Для таких рамок при добавочном резисторе 51 Ом выходной сигнал генератора, равный 15 мВ, будет соответствовать напряженности поля 1,5 мВ/м на расстоянии 1 м.

Учет влияния индуктивности рамки показывает, что с ее помощью можно проводить измерение чувствительности радиоприемников с магнитной антенной до частоты 8 МГц, на которой напряженность поля уменьшится примерно на 9 %.

На более высоких частотах можно применить рамку площадью 84,17 см2 (что соответствует квадрату со стороной 92 мм или кругу диаметром 104 мм), выполненную из медной трубки или проволоки диаметром 3 мм С такой рамкой и добавочным резистором 51 Ом коэффициент преобразования составит К, = 0,01, поэтому для создания поля напряженностью 1,5 мВ/м на расстоянии 1 м потребуется выходной сигнал генератора 150 мВ. Измерение чувствительности можно проводить до частоты 30 МГц, на которой напряженность поля уменьшится примерно на 8 %. Эта же рамка обеспечит коэффициент преобразования К, =0,1 на расстоянии 465 мм, однако в таком случае потребуется высокая точность установки расстояния между рамкой и антенной.

Точность установки этого расстояния влияет на погрешность измерений. Так, при расстоянии 1 м погрешность ±3,33 см приводит к погрешности измерения ±10%. На расстоянии 465 мм такая же погрешность измерения будет при точности установки ±1,55 см.

Круглая и квадратная рамки эквивалентны, можно также применять рамки другой формы, например треугольной, важно, чтобы их площадь в точности равнялась требуемой. Поэтому с конструктивной точки зрения удобнее применить именно квадратную рамку, так как в этом случае проще получить заданную площадь.

Все приведенные примеры справедливы для случая, когда ось магнитной антенны расположена на перпендикуляре к плоскости рамки, проведенным через ее центр (положение 1, см. рисунок). Но для измерения чувствительности можно применить и другое направление (положение 2). В соответствии с выражением (6) в этом положении коэффициент преобразования уменьшится ровно в два раза. Поэтому для создания требуемой напряженности поля при прочих равных условиях необходимо в два раза увеличивать сигнал генератора либо уменьшить расстояние до центра рамки в раза. Но расстояние менее 0,5 м применять не рекомендуется, поскольку кубическая зависимость сильно увеличивает погрешность измерения от неточности установки расстояния до антенны. К тому же, когда расстояние до рамки становится соизмеримым с ее размерами, приведенные выражения дают завышенное значение напряженности электромагнитного поля, так как излучатель уже не может рассматриваться как точечный.

Однако второе положение может быть удобным с точки зрения компактности рабочего места, поскольку рамку можно расположить, например, над рабочим столом. Но во всех случаях важно, чтобы в зоне измерений не было крупных металлических предметов, способных заметно исказить поле.

ЛИТЕРАТУРА

1. Левитин Е. А., Левитин Л. Е. Радиовещательные приемники. Справочник. - М.: Энергия, 1967, с. 347.
2. Белов Н. Ф., Дрызго Е. В. Справочник по транзисторным радиоприемникам. - М.: Сов. Радио, 1973, ч. 2, с. 663-691.
3. Бродский М. А. Справочник радиомеханика. - Минск: Высш. школа, 1974, с. 115.
4. Айзенберг Г. 3., Ямпольский В. Г., Терешин О. Н. Антенны УКВ, ч. 1. - М.: Связь, 1977, с. 86.
5. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. - М.: Энергия, 1975, с. 34, формула (1-52).

Дата публикации: 10.07.2008

Мнения читателей

• костя / 29.06.2014 - 09:36
  во дают! на Смоленщину старые книжки завезли и журналы радио времен когда дед еще по бабам бегал. а все плачут дороги плохие.
• Сергей / 13.05.2014 - 04:15
  Не понял. Что Г-н/товарищ Алхимов и те публикации сочинил? Ну и голова у него...Когда в Смоленскую область по работе ездил надо было познакомиться.
• Марк / 04.12.2011 - 09:07
  Нужно ли и как изменить величины r,S,чтобы измерить чувствительность и её изменение с частотой активной широкополосной (о,15...30 МГц) рамочной антенны диаметром 0,7 м?
• Марк / 03.12.2011 - 20:42
  Как измерить чувствительность активной широкополосной (ДВ, СВ, КВ) рамочной антенны диамметром 0,7 м? Нужно ли изменить размеры r,S ?

Чувствительность радиоприемника характеризует его способность принимать слабые сигналы на фоне шумов. Количественно она определяется как минимальный уровень принимаемого сигнала U min , при котором обеспечивается удовлетворительное качество воспроизведения информации. В радиовещании критерием качества служит величина отношения сигнал/шум (по мощности или по напряжению) на выходе приемника. Оно должно быть не менее 20 дБ при приеме сигналов в диапазонах ДВ, СВ и KB и не менее 26 дБ при приеме сигналов УКВ диапазона в стереорежиме. Считается, что чувствительность тем выше, чем меньше величина U min .

Чувствительность приемника может ограничиваться не только малым отношением сигнал/шум на его выходе, но и недостаточным усилением всего приемного тракта. Поэтому различают реальную и максимальную чувствительность. Реальная чувствительность определяется как минимальный уровень входного сигнала, при котором обеспечивается стандартная (испытательная) выходная мощность Р ст при заданном отношении сигнал/шум на выходе. Максимальная чувствительность определяется без учета отношения сигнал/шум на выходе; она равна минимальному уровню входного сигнала при стандартной выходной мощности при установке всех органов регулировки усиления радиоприемника в максимальное положение. Для отечественных моделей величина Р ст принята равной 5 мВт (для приемников с номинальной выходной мощностью менее 150 мВт) или 50 мВт (для приемников с номинальной выходной мощностью более 150 мВт). В технической документации моделей зарубежного производства с выходной мощностью более 10 Вт часто рекомендуется использовать величину Р ст = 0,5 Вт.

Чувствительность приемника по напряжению при использовании наружных антенн выражается в микровольтах (мкВ) или милливольтах (мВ). При работе с внутренней (встроенной) антенной под чувствительностью понимают не напряжение на выходе приемной антенны, а напряженность электрического поля в точке приема, которая измеряется в микровольтах на метр (мкВ/м) или милливольтах на метр (мВ/м).

Иногда значение чувствительности указывается в относительных единицах дБ/мкВ (дБ/мВ). Для пересчета такой величины в микровольты можно использовать простую формулу:

Это означает, что величину 1 мкВ (1мВ) нужно увеличить в число раз, соответствующее значению, указанному в децибелах, например, чувствительность 6 дБ/мкВ эквивалентна 2 мкВ.

Современные бытовые радиоприемники обладают весьма высокой чувствительностью. Так, например, в УКВ и FM диапазонах ее величина может быть меньше 1 мкВ. В диапазонах ДВ, СВ и KB чувствительность обычно хуже. Это обусловлено тем, что здесь значительно более высокий уровень внешних помех, поэтому нет смысла развивать повышать усиление радиоприемного тракта.