Конспект лекций по учебной дисциплине «Устройства приема и обработки сигналов» (290,00 руб.)

Стр.3

Стр.4

Стр.5

Стр.6

Стр.7

Стр.8

Стр.9

Стр.10

Стр.11

УДК Г Галочкин В.А. Устройства приема и обработки сигналов. Конспект лекций (учебное пособие) - Самара: ГОУВПО ПГУТИ, 2011г - 424 с Изложены основы теории и построения устройств приема и обработки сигналов (УПОС). В первой части приведены краткие сведения о работе основных узлов УПОС додетекторного тракта (входных цепей, усилителей радиочастоты, преобразователей частоты, амплитудных и частотных детекторов, устройств автоматической регулировки усиления, устройств автоматической подстройки частоты в УПОС). Каждый теоретический раздел сопровождается методическими разработками по выполнению соответствующих лабораторных работ. Во второй части пособия рассмотрены вопросы радиоприема и обработки непрерывных, дискретных и широкополосных сигналов. Учебное пособие предназначено для студентов радиотехнических и телекоммуникационных специальностей дневной и заочной форм обучения, а также инженеров, изучающих радиотехнические системы и устройства Рецензенты: А.И.Тяжев - д.т.н., профессор, проректор ГОУВПО ПГУТИ С.В. Севостьянов - к.т.н., начальник научного отдела ФГУП НИИР - СОНИИР Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики» © Галочкин В.А., 2011г 3

Стр.3

Содержание Список сокращений и обозначений…………………………11 Предисловие…………………………………………………....14 Лекция 1. Тема 1. Введение. Составные части и функции устройств приема и обработки сигналов …….19 1.1. Назначение и классификация УПОС………………….. 19 1.2. Структурная электрическая схема приемника прямого усиления……………………………………………….22 1.3. Структурная электрическая схема и принцип работы супергетеродинного приемника……………...............23 1.4. Способы ослабления побочных каналов приема……...28 1.5. Выводы по теме………………………………………….30 1.6. Контрольные вопросы по теме раздела «Введение»…………………………………………………........32 Лекция 2. Тема 2. Показатели качества устройств приема и обработки сигналов………………………………..33 2.1. Чувствительность…………………………………….......33 2.2. Коэффициент шума и шумовая температура приемника………………………………………………………..35 2.2.1. Определения коэффициента шума………………....35 2.2.2. Определение шумовой мощности, поступающей на вход приемника от антенны………………………………...39 2.2.3. Связь коэффициента шума приемника с параметрами его отдельных каскадов………………………..40 2.2.4. Шумовая температура приемника……………….....42 2.2.5. Связь коэффициента шума и чувствительности…..43 Лекция 3 2.3. Селективность…………………………………..44 2.4. Стабильность характеристик приемника…………….....47 2.5. Искажения сигнала в приемнике. Динамический диапазон…………………………………………………………..49 2.6. Выводы по теме…………………………………………...54 2.7. Контрольные вопросы по теме раздела «Показатели качества устройств приема и обработки сигналов»…………...56 Лекция 4. Тема 3. Входные цепи радиоприемника………...58 3.1. Назначение, структура и классификация входных 4

Стр.4

цепей……………………………………………………………..58 3.2. Варианты схем входных цепей………………………... 60 3.2.1.Одноконтурная входная цепь с внешнеемкостной связью с антенной………………………………………………..60 3.2.2. Входная цепь с двухконтурным полосовым фильтром и трансформаторной связью с антенной…………...61 3.2.3. Входная цепь с дискретным конденсатором…..........62 3.2.4. Входная цепь с варикапной настройкой…………....63 3.3. Примеры схем входных цепей……………………………66 3.4. Способы перекрытия диапазона частот…………… ..….68 3.5. Коэффициент передачи, селективность и полоса пропускания одиночного колебательного контура входной цепи…………………………………………………………….....69 Лекция 5. 3.6. Определение затухания и емкости, вносимых в контур следующим каскадом……………………..75 3.7. Входная цепь при связи с настроенной антенной………………………………………………….....77 3.8. Входная цепь при связи с ненастроенной антенной…......................................................................................81 3.8.1. Емкостная связь с антенной………………………....81 3.8.2. Индуктивная связь с антенной………………………82 3.9. Выводы по теме……………………………………….84 3.10. Контрольные вопросы по теме раздела «Входные цепи радиоприемника»……………………..............86 Лекция 6. Тема 4. Резонансные усилители радиочастоты…………………………………………………...88 4.1.Назначение, классификация и требования к резонансным усилителям……………………………………...88 4.2.Варианты схем резонансных усилителей на невзаимных усилительных элементах………………………89 4.3. Эквивалентная схема невзаимного усилительного элемента…………………………………………………………..92 4.4. Анализ одноконтурного резонансного усилителя с автотрансформаторным включением колебательного контура……………………………………………………………95 Лекция 7. 4.5. Резонансный усилитель в диапазоне частот…………………………………………………………….100 5

Стр.5

4.6. Влияние внутренней обратной связи через усилительный прибор на устойчивость работы резонансного усилителя………………………………………..106 4.7. Способы повышения устойчивости усилителей……...112 Лекция 8. 4.8. Нелинейные явления в УРЧ………………...114 4.9. Полосовые усилители…………………………………...118 4.9.1. Двухкаскадный усилитель с одиночными взаимно расстроенными контурами (расстроенная пара)…....118 4.9.2. Усилитель с двухконтурным полосовым фильтром………………………………………………………...122 4.10. Усилитель с электромеханическим фильтром……….123 Лекция 9. 4.11.Усилитель с кварцевым фильтром…………125 4.12. Усилитель с фильтром на поверхностных акустических волнах…………………………………………....126 4.13. Параметрические усилители СВЧ диапазона………...128 4.13.1. Регенеративный усилитель………………………...128 4.14. Выводы по теме………………………………………...130 4.15. Контрольные вопросы по теме раздела «Резонансные усилители радиочастоты»………… ………….133 Лекция 10. Тема 5. Преобразователи частоты…………….136 5.1. Назначение, основные требования и классификация преобразователей частоты………………….136 5.2. Варианты схем преобразователей частоты…………….140 Лекция 11. 5.3. Общая теория преобразователей частоты на безынерционных преобразующих элементах……………...145 Лекция 12. 5.4. Частотная характеристика ПЧ…………….158 5.5. Свисты в преобразователях……………………………..160 5.6. Одноручечная настройка приемника. Сопряженная настройка………………………………………………………..161 5.7. Диодные преобразователи……………………………....165 5.7.1. Диодный резистивный преобразователь частоты....165 Лекция 13. 5.7.2. Диодный емкостный преобразователь частоты…......................................................................................170 5.8. Выводы по теме…………………………………………..173 5.9. Контрольные вопросы по теме раздела «Преобразователи частоты»………………………....................176 6

Стр.6

Лекция 14. Тема 6. Амплитудные детекторы.…………… 178 6.1. Назначение, требования и классификация амплитудных детекторов……………………………………….178 6.2. Параметрические АД (синхронные)…………………....181 6.3. Диодные амплитудные детекторы …………………….183 6.4. Варианты построения аналоговых амплитудных детекторов……………………………………………………….186 6.4.1. Последовательный амплитудный диодный детектор в режиме детектирования сильного сигнала………186 Лекция 15. 6.4.2. Последовательный диодный детектор в режиме детектирования слабых сигналов………………191 6.5. Эмиттерный детектор……………………………………194 6.6. Диодный детектор с удвоением напряжения…………..195 6.7. Синхронный амплитудный детектор на операционном усилителе……………………………………….197 6.8. Входное сопротивление последовательного диодного АД…………………………………………………….198 Лекция 16. 6.9. Параллельный диодный детектор…………200 6.10. Нелинейные искажения при детектировании АМ колебаний………………………………………………………..201 6.10.1. Искажения из-за нелинейности ВАХ……………...201 6.10.2. Искажения из-за большой постоянной времени нагрузки………………………………………………………….202 6.10.3. Искажения из-за соизмеримости частоты модуляции и частоты несущей ……………………………….203 6.10.4. Искажения из-за разделительного конденсатора ………………………………………….............204 6.10.5. Искажения, обусловленные различием сопротивлений нагрузки амплитудного детектора по постоянному и переменному току………………………....206 6.11.Работа амплитудного детектора при воздействии двух колебаний…………………………………...207 Лекция 17. 6.12. Детектирование радиоимпульсов………..210 6.13. Пиковый детектор………………………………………213 6.14. Выводы по теме………………………………………....216 6.15. Контрольные вопросы по теме раздела «Амплитудные детекторы»…………………………………….220 7

Стр.7

Лекция 18. Тема 7. Амплитудные ограничители………….222 7.1. Амплитудные ограничители (АО). Назначение. Виды ограничителей…………………………………………....222 7.2. Варианты построения амплитудных ограничителей....224 7.2.1. Амплитудный ограничитель с односторонним ограничением и переменной отсечкой………………………...224 7.2.2. Двусторонний амплитудный ограничитель………..226 7.3. Выводы по теме………………………………………….228 7.4. Контрольные вопросы по теме раздела «Амплитудные ограничители»…………………….................. 229 Тема 8. Детекторы угловой модуляции……........................230 8.1. Аналоговые фазовые детекторы. Балансный диодный фазовый детектор…………………………………….230 8.2. Кольцевой фазовый детектор………………………….232 8.3. Ключевой фазовый детектор…………………………...234 8.4. Выводы по теме………………………………………....236 8.5. Контрольные вопросы по теме раздела «Детекторы угловой модуляции»……………………………...236 Лекция 19. Тема 9. Частотные детекторы…………………238 9.1. Назначение, основные характеристики частотных детекторов……………………………………………………....238 9.2. Принципы частотного детектирования……………….240 9.2.1. Частотный детектор с использованием преобразователя частотно-модулированного сигнала в АЧМ сигнал…………………………………………………...242 9.2.2. Частный детектор с использованием фазосдвигающей цепи………………………………………….243 9.3. Варианты построения аналоговых частотных детекторов……………………………………………………….246 9.3.1. Балансный детектор со связанными контурами…246 9.3.2. Балансный диодный частотный детектор с взаимно расстроенными контурами…………………………250 Лекция 20. 9.3.3. Дробный частотный детектор (детектор отношений)……………………………………………………...252 9.3.4. Мультипликативный частотный детектор………..259 9.4. Выводы по теме……………………………………264 9.5. Контрольные вопросы по теме раздела 8

Стр.8

«Частотные детекторы»………………………………………..265 Лекция 21. Тема 10. Регулировки в радиоприемнике……267 10.1. Назначение и виды регулировок в РПУ…………….267 10.2. Принцип действия, классификация систем автоматической регулировки усиления(АРУ)………....267 10.3. Структурные электрические схемы АРУ………271 10.3.1. Обратная АРУ………………………………………271 10.3.2. Прямая АРУ………………………………………....272 10.3.3. Смешанная (комбинированная) АРУ…………….273 10.3.4. Режимная АРУ……………………………………...273 10.4. Варианты схем электронных регуляторов усиления...276 10.4.1. Регулятор усиления на полевом транзисторе……..276 Лекция 22. 10.4.2. Регулятор усиления на основе трехтранзисторного дифференциального каскада…………..277 10.4.3. Регулятор усиления изменением глубины отрицательной обратной связи………………………………...278 10.4.4. Регулятор усиления на операционном усилителе с дискретной коммутацией резисторов, включенных в цепь обратной связи…………………………..279 10.4.5. Регулятор усиления на основе делителя напряжения с регулируемым коэффициентом усиления…….280 10.5. Характеристика регулирования простой обратной АРУ……………………………………………………………....280 10.6. Регулировка полосы пропускания…………………….282 Лекция 23. 10.7. Частотная автоматическая подстройка частоты……..................................................................................285 10.7.1. Классификация устройства автоматической подстройки частоты……………………………………………..286 10.7.2. Характеристика регулирования системы АПЧ……291 Лекция 24. 10.8. Фазовая автоматическая автоподстройка частоты….....................................................................................298 10.8.1. Структурная схема додетекторного тракта приемника с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ). Фазовый портрет………………………………………………..298 10.8.2. Характеристика регулирования системы ФАПЧ….301 10.9. Выводы по теме………………………………………....302 10.10. Контрольные вопросы по теме раздела по теме 9

Стр.9

раздела «Регулировки в радиоприемнике»…………………...305 Лекция 25. Тема 11. Радиоприем непрерывных сигналов......................................................................................308 11.1. Область применения и виды приемников…………….308. 11.2. Радиоприем сигналов амплитудной модуляции……...312 11.2.1. Прохождение АМ сигнала через частотноизбирательную систему радиоприемника. Влияние АЧХ и ФЧХ на искажения сигнала……………………………312 11.2.2. Взаимодействие сигнала и синусоидальной помехи при детектировании…… ……………………………..317 Лекция 26. 11.2.3. Взаимодействие сигнала и шума в амплитудном детекторе………………………………………319 11.2.4. Радиоприем однополосных сигналов……………...321 11.3. Радиоприем ЧМ сигналов………………………………323 11.3.1. Прохождение ЧМ сигнала через селективный тракт приемника………………………………………………...323 11.3.2. Нелинейные искажения сигнала в частотном детекторе………………………………………………………..326 11.3.3. Действие синусоидальной помехи на приемник частотной модуляции…………………………………………...327 Лекция 27. 11.3.4. Действие флуктуационной помехи на приемник частотной модуляции……………………………331 11.4. Выводы по теме………………………………………..336 11.5. Контрольные вопросы по теме раздела «Радиоприем непрерывных сигналов»……………..................338 Лекция 28. Тема 12. Радиоприем дискретных сигналов………………………………………………………...340 12.1. Радиоприем сигналов частотной манипуляции….......341 12.2. Радиоприем сигналов минимальной частотной манипуляции…………………………………………………....347 Лекция 29. 12.3. Радиоприем сигналов фазовой манипуляции….............................................................................349 10

Стр.10

12.4. Радиоприем сигналов фазоразностной манипуляции.................................................................................353 12.4.1. Автокорреляционный демодулятор сигнала ФРМ……………………………………………………353 12.14.2. Когерентный демодулятор сигнала ФРМ…….....355 12.5. Выводы по теме………………………………………..356 12.6. Контрольные вопросы по теме раздела «Радиоприем дискретных сигналов»………………...358 Лекция 30. Тема 13. Радиоприѐм широкополосных (шумоподобных) сигналов…………………………………...359 13.1. Сущность широкополосной связи……………………..359 13.2. Структурные схемы передатчика и приѐмника в системе с расширением спектра методом прямой последовательности(Direct Sequence Spread Spectrum – DSSS)……………………………………………………………361 13.3. Структурные схемы передатчика и приѐмника в системе с расширением спектра методом скачкообразного изменения частоты………………………….367 Лекция 31. 13.4. Особенности использования РПУ в системах приѐма ШПС……………………………………….369 13.4.1 Широкополосные входные каскады………………...369 13.4.2. Требования к системе АРУ………………………….371 13.5. Выводы по теме………………………………………….373 13.6. Контрольные вопросы по теме раздела «Радиоприѐм широкополосных (шумоподобных) сигналов»…………….. 374 Лекция 32. Тема 14. Заключение. Пути развития устройств приема и обрабоки сигналов…………………….376 14.1. Краткая историческая справка по развитию УПОС. Современная техника УПОС………………………………..376 14.2. Перспективы развития устройств приема и обработки сигналов…………………………………………. 382 Ответы на контрольные вопросы по темам……………….387 Литература……………………………………………………..398 Глоссарий по темам…………………………………………...399 11

Стр.11