Проектирование устройств приема и обработки сигналов

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Проектирование устройств 

Приема и обработки 
сигналов

Учебно-методическое пособие 
по курсу «Устройства приема и обработки сигналов» 
для студентов всех форм обучения специальностей:
210400.62 Радиотехника. Бакалавр Б.3.10. 
Основы цифровой обработки сигналов;
210700.62 Системы мобильной связи. Бакалавр Б.3.19. 
Радиоприемные устройства систем мобильной связи;
210601.65 Радиоэлектронные системы и комплексы. 
Специалист С. 3.18. Устройства приема и обработки сигналов;
090302.65 Защита информации в системах связи и управления. 
Специалист С. 3.30. Устройства приема и обработки сигналов

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
Издательство Уральского университета
2017

2-е издание, стереотипное

УДК 621.391(078)
ББК 32.811.3я73
          М26

Рецензенты:
зам. завкафедрой общепрофессиональных дисциплин и технических специальностей Уральского технического института связи 
и информатики доц., канд. техн. наук Н. В. Будылдина;
зам. начальника конструкторского отдела ОАО «ОКБ «Новатор», 
канд. техн. наук А. В. Соловьянов
Научный редактор доц., канд. техн. наук Н.П. Никитин

Марков, Ю. В.
    Проектирование устройств приема и обработки сигналов 
[Электронный ресурс]: учебно-методическое пособие / Ю. В. Марков, 
А. С. Боков. — 2-е изд., стер. — М. : ФЛИНТА : Изд-во Урал. ун-та, 
2017. — 112 с.

ISBN 978-5-9765-3167-3 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1497-3 (Изд-во Урал. ун-та)

Учебно-методическое пособие предназначено для использования при 
курсовом проектировании по дисциплине «Устройства приема и обработки сигналов» студентами всех форм обучения и содержат задания на курсовое проектирование радиоприемных устройств.
В пособии излагаются основные принципы и этапы курсового проектирования, дается краткое содержание основных этапов проектирования. 
Приведены характеристики основных типов радиоприемных устройств, 
их узлов и блоков, методики их расчета, список рекомендуемой литературы. Указаны требования по оформлению результатов курсового проектирования.

Библиогр.: 18 назв. Рис. 55. Табл. 11. Прил. 1.
УДК 621.391(078)
ББК 32.811.3я73

Подготовлено кафедрой «Радиоэлектроника информационных систем».

© Уральский федеральный
     университет, 2015

          М26

ISBN 978-5-9765-3167-3 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1497-3 (Изд-во Урал. ун-та)

Оглавление

Основные сокращения ....................................................................... 5

1. Общие вопросы проектирования радиоприемных устройств ............ 7
1.1. Параметры радиоприемных устройств .................................... 7
1.2. Классификация радиоприемных устройств ...........................11
1.3. Основные стадии проектирования .........................................12

2. Основные типы радиоприемных устройств .....................................14
2.1. Радиовещательные приемники .............................................14
2.2. Магистральные приемные устройства ..................................18
2.3. Радиолокационные приемники .............................................23
2.4. Приемники цифровых данных ..............................................32

3. Эскизное проектирование ...............................................................37
3.1. Выбор типа структурной схемы .............................................37
3.2. Расчет сквозной полосы пропускания приемника ...............40
3.3. Определение числа поддиапазонов........................................43
3.4. Выбор структуры преселектора  
        и числа преобразований частоты ...........................................43
3.5. Определение избирательной системы тракта  
        промежуточной частоты .........................................................46
3.6. Выбор первых каскадов радиоприемника и структуры 
        преселектора, исходя из допустимого коэффициента шума ....47
3.7. Распределение усиления между трактами радиоприемника ....49
3.8. Оценка динамического диапазона приемника ......................51
3.9. Выбор регулировок приемника ..............................................56
3.10. Выбор тракта усиления низкой частоты ..............................57
3.11. Разработка структурной схемы приемника .........................58

4. Типовые узлы и блоки радиоприемных устройств ...........................59
4.1. Входные цепи .........................................................................59
4.1.1. Перестраиваемые входные цепи ..................................60

Оглавление

4.1.2. Неперестраиваемые входные цепи ..............................64
4.1.3. Разбиение на поддиапазоны .........................................64
4.1.4. Особенности конструкции входных цепей  
           различных диапазонов волн .........................................65
4.2.  Усилители радиочастоты и промежуточной частоты ............66
4.2.1. Распределенная и сосредоточенная избирательность ....66
4.2.2. Типовые схемы УПЧ .....................................................67
4.2.3. Устойчивость усилителей радиочастоты .....................69
4.2.4. Расчет селективного усилителя ....................................70
4.3. Преобразователи частоты .......................................................75
4.3.1. Транзисторные преобразователи .................................76
4.3.2. Диодные преобразователи ............................................78
4.3.3. Гетеродины приемников ..............................................80
4.4.  Детекторы сигналов ................................................................81
4.4.1. Амплитудные детекторы ...............................................82
4.4.2. Фазовые детекторы .......................................................83
4.4.3. Частотные детекторы ....................................................85
4.5.  Автоматическая регулировка усиления .................................87
4.6.  Автоматическая подстройка частоты .....................................92
4.6.1. Частотная автоподстройка частоты .............................93
4.6.2. Фазовая автоподстройка частоты .................................96

5. Элементная база .............................................................................97

6. Организационные основы курсового проектирования ...................101
6.1. Цели и задачи курсового проектирования ...........................101
6.2. Содержание проекта .............................................................102
6.3. Календарный план выполнения курсового проекта ............103
6.4. Оформление технической документации ............................103

Библиографический список ...........................................................104

Приложение .....................................................................................106

Основные сокращения

АГ — автогенератор
АД — амплитудный детектор
АМ (АМн) — амплитудная модуляция (манипуляция)
АПЧ — автоматическая подстройка частоты
АРУ — автоматическая регулировка усиления
АЦП — аналого-цифровой преобразователь
АЧХ — амплитудно-частотная характеристика
БАРУ — быстрая автоматическая регулировка усиления
БТ — биполярный транзистор
ВАХ — вольт-амперная характеристика
ВЦ — входная цепь
ВЧ — высокая частота
ВУ — видеоусилитель
Г — гетеродин
ГКРЧ — Государственная комиссия по радиочастотам
ДВ — длинные волны
ИМ — импульсная модуляция
ИМС — интегральная микросхема
КВ — короткие волны
НЧ — низкая частота
ОГ — опорный генератор
ОУ — оконечное устройство
ПАВ — поверхностные акустические волны
ПТ — полевой транзистор
ПУ — пороговое устройство
ПФ — полосовой фильтр
ПЧ — промежуточная частота
РЛС — радиолокационная станция
РПрУ — радиоприемное устройство
РУ — регулируемый усилитель
СВ — средние волны

ОснОвные сОкращения

СВЧ — сверхвысокая частота
См. — смеситель
СУ — селективный усилитель
СФ — согласованный фильтр
СЧ — синтезатор частоты
ТЗ — техническое задание
УКВ — ультракороткие волны
УНЧ — усилитель низких частот
УПТ — усилитель постоянного тока
УПЧ — усилитель промежуточной частоты
УРЧ — усилитель радиочастоты
УЭ — управляющий элемент
ФАПЧ — фазовая автоматическая подстройка частоты
ФД — фазовый детектор
ФМн — фазовая манипуляция
ФНЧ — фильтр низких частот
ФПЧ — фильтр промежуточной частоты
ФСС — фильтр сосредоточенной селекции
ФЧХ — фазочастотная характеристика
ЦАП — цифроаналоговый преобразователь
ЦОС — цифровая обработка сигнала
ЦСП — цифровой сигнальный процессор
ЧАПЧ — частотная автоматическая подстройка частоты
ЧД — частотный детектор
ЧМ (ЧМн) — частотная модуляция (манипуляция)
ШИМ — широтно-импульсная модуляция
ШПТЛ — широкополосная трансформаторная линия
ЭДС — электродвижущая сила
DRM — Digital Radio Mondiale (стандарт цифрового радиовещания)
FM — Frequency Modulation (см. ЧМ)

1. Общие вопросы проектирования 
радиоприемных устройств

Р

адиоприемным устройством (РПрУ) называется устройство 
для приема электромагнитных волн радиодиапазона (то есть 
с длиной волны от нескольких тысяч метров до долей миллиметра) с последующим преобразованием содержащейся в них информации к виду, в котором она могла бы быть использована.
Радиоприемное устройство состоит из антенны, радиоприемника и оконечного устройства [2]. В данном пособии рассматриваются 
только вопросы проектирования радиоприемников.

1.1. Параметры радиоприемных устройств

В техническом задании на проектирование обычно указываются 
электрические, конструктивно-эксплуатационные и производственно-экономические показатели [2].
К основным электрическим характеристикам относятся верность 
воспроизведения сообщения, диапазон рабочих частот, чувствительность, избирательность, динамический диапазон, помехоустойчивость, 
эффективность регулировок и электромагнитная совместимость.
К конструктивно-эксплуатационным характеристикам относятся 
масса, габариты, экономичность питания, надежность, ремонтопригодность, эргономические показатели и стабильность характеристик 
при изменении условий эксплуатации.
В производственно-экономические показатели входят стоимость, степень интеграции и унификации узлов, серийноспособность, вид технологического процесса при изготовлении и сроки разработки.

1. Общие вОПрОсы ПрОектирОвания радиОПриемных устрОйств

В задании на учебное проектирование приводится только некоторая часть этих показателей, остальные дорабатываются студентом 
в процессе проектирования. Заданные показатели обязательно должны быть выдержаны, желательно с некоторым запасом, учитывающим 
старение элементов и различия в условиях эксплуатации. Однако значительное превышение качественных показателей недопустимо. Это 
связано с тем, что улучшение одних характеристик всегда сопровождается ухудшением других. Например, при увеличении чувствительности приемника может ухудшиться его избирательность, уменьшиться 
динамический диапазон, возрасти стоимость и т. д. На стадии проектирования необходимо достигнуть некоторого компромисса, обеспечивающего достаточно высокие показатели по всей совокупности параметров.
Качественные показатели супергетеродинного приемника определяются следующими электрическими характеристиками:
1. Чувствительность — способность приемника принимать слабые 
сигналы. Количественно для радиоприемников умеренно высоких частот чувствительность оценивается минимальной ЭДС в антенне ЕА 
нормально модулированного сигнала, при которой на выходе приемника сигнал воспроизводится с требуемым качеством.
Под требуемым качеством можно понимать:
— получение заданного уровня сигнала на выходе приемника (так 
определяется максимальная чувствительность);
— получение определенного отношения мощности сигнала 
к мощности шумов на выходе приемника (так определяется 
реальная чувствительность);
— выполнение одного из вероятностных критериев качества приема (вероятность правильного приема, вероятность ошибки).
2. Избирательность (селективность) — способность приемника выделять полезный сигнал, ослабляя действие помех.
Основное значение имеет частотная избирательность. Различают 
односигнальную и многосигнальную (эффективную) частотную избирательность.
Односигнальная избирательность определяется амплитудно-частотной характеристикой фильтров усилительно-преобразовательного тракта приемника при действии на его входе одного малого сигнала, 
не вызывающего нелинейных эффектов. Она оценивается по нормированной амплитудно-частотной характеристике:

1.1. Параметры радиоприемных устройств

γ (f) = K f
K
( )

0

,

где К (f) — модуль коэффициента усиления по напряжению на произвольной частоте f, К0 — резонансный коэффициент усиления. Селективность оценивается обратной величиной:

Se = K0/K (f)

и определяет ослабление помехи при заданной расстройке Δf = f — f0.

Обычно избирательность выражается в децибелах:

Se = 20 lg (K0/K (f)), дБ.

Методом односигнальной избирательности оценивается также 
избирательность по побочным каналам приема супергетеродинного приемника: по зеркальному каналу, по каналу прямого прохождения, по каналам преобразования частоты, образованным гармониками частоты гетеродина.
В условиях действия сильных помех, приводящих к эффектам блокирования сигнала, перекрестной модуляции и интермодуляции, используется понятие эффективной или многосигнальной избирательности.
Блокированием называют уменьшение коэффициента усиления 
усилительно-преобразовательного тракта под действием сильных мешающих сигналов с частотами, отличающимися от частот основного и побочного каналов приема. Перекрестная модуляция проявляется 
в переносе модуляции помехи на несущую полезного сигнала за счет 
нелинейности усилительно-преобразовательного тракта. Интермодуляция заключается в том, что при воздействии на нелинейный элемент усилительно-преобразовательного тракта двух или более помех 
различных частот на его выходе в спектре интермодуляционных колебаний вида m f1 ± n f2 ± p f3 ±… возникает составляющая, совпадающая либо с частотой настройки приемника, либо с частотой какогото побочного канала приема.
Количественно многосигнальная избирательность может быть оценена полосой забития сигнала, коэффициентом перекрестной модуляции 
или допустимым уровнем взаимомодулирующих сигналов.

1. Общие вОПрОсы ПрОектирОвания радиОПриемных устрОйств

3. Помехоустойчивость — способность приемника обеспечивать 
нормальное функционирование в условиях воздействия определенной совокупности помех. Существуют различные критерии количественной оценки помехоустойчивости: вероятностный, энергетический, артикуляционный.
4. Электромагнитная совместимость — возможность приемника работать совместно с другими радиоэлектронными устройствами 
и системами.
5. Верность воспроизведения сообщений. Количественно верность 
воспроизведения оценивается искажениями выходного сигнала приемника по отношению к модулирующей функции. К статическим искажениям относятся линейные (амплитудно-частотные и фазовые) 
и нелинейные (коэффициенты гармоник основной частоты модуляции). К динамическим искажениям относятся переходные искажения, характеризующие временную зависимость выходного напряжения 
приемника при подаче на его вход радиоимпульса (время запаздывания импульса, время нарастания переднего фронта, выброс переходной характеристики, спад плоской вершины импульса).
6. Динамический диапазон характеризует допустимый минимальный 
и допустимый максимальный уровни входных сигналов. Динамический 
диапазон по основному каналу приема — это пределы изменения уровня 
входных сигналов, при которых потеря информации не превышает заданного значения. Нижняя граница динамического диапазона по основному каналу приема ограничена шумами приемника, верхняя — нелинейными искажениями. Динамический диапазон по соседним каналам 
приема ограничен искажениями информации, возникающими за счет 
действия мощных помех, действующих в соседних каналах.
Среди других электрических характеристик отметим характеристики 
частотной настройки (диапазон или набор рабочих частот), параметры 
регулировок, выходную мощность, параметры системы питания. Кроме 
электрических характеристик, большое значение имеют конструктивноэксплуатационные и производственно-экономические характеристики.
Большинство характеристик приемника определяются его линейным трактом, под которым понимают совокупность каскадов, включенных последовательно между антенно-фидерным трактом и детектором. В приемниках сигналов с частотной или фазовой модуляцией, 
содержащих ограничитель амплитуды, линейный тракт заканчивается на входе ограничителя.

1.2. классификация радиоприемных устройств

1.2. классификация радиоприемных устройств

Радиоприемники можно классифицировать по ряду признаков, 
из которых основными являются [17]:
— назначение приемника;
— диапазон принимаемых частот;
— вид принимаемых сигналов;
— тип структурной схемы;
— форма выполнения основных операций над сигналом;
— вид активных элементов, используемых в приемнике;
— тип конструкции приемника.
По назначению различают приемники связные, радиовещательные, 
телевизионные, радиолокационные, ретрансляционные и многие другие. Назначение приемника во многом определяет технические решения, выбираемые при проектировании.
Диапазон частот радиосигналов весьма широк: от 3 кГц до 300 ГГц, 
что соответствует волнам от 100 км до 1 мм. Приемник может быть предназначен для работы на одной или нескольких фиксированных частотах, 
или в некотором диапазоне частот. От диапазона частот напрямую зависит выбор активных элементов (транзисторов и микросхем) и резонансных систем (с сосредоточенными или распределенными постоянными).
Вид принимаемых сигналов определяется видом модуляции или ее 
отсутствием. Используются непрерывные, дискретные и цифровые 
сигналы. В случае непрерывных сигналов применяют амплитудную, 
частотную или фазовую модуляцию. В случае дискретных сигналов 
применяют аналогичные виды манипуляции. Радиолокационный импульсный сигнал может быть немодулированным. Кроме простых сигналов, имеющих базу порядка единицы, применяют сложные сигналы, база которых значительно больше единицы по порядку величины. 
Полоса пропускания главного тракта приемника всегда согласуется 
с шириной спектра принимаемого сигнала. Способ детектирования 
определяется видом модуляции.
По типу структурной схемы различают приемники прямого усиления, прямого преобразования и супергетеродинные приемники. Наилучшие качественные показатели обеспечивает применение супергетеродинной схемы. В профессиональных приемниках используют 
двойное и тройное преобразование частоты.

1. Общие вОПрОсы ПрОектирОвания радиОПриемных устрОйств

Основные операции над сигналом могут выполняться в аналоговой, 
цифровой или цифроаналоговой форме. Усилительно-преобразовательный тракт обычно является аналоговым, демодуляция и последующая обработка сигналов в современных приемниках часто делается цифровой.
В качестве активных элементов широко применяются полевые 
и биполярные транзисторы и интегральные микросхемы. Элементная база постоянно обновляется.
Конструктивно приемники выполняются на основе печатного или 
объемного монтажа с использованием интегральных микросхем, представляющих собой каскады, узлы приемников и даже целые приемники.
При учебном проектировании целесообразно начать работу с ознакомления с типовыми решениями, применяемыми в приемниках 
определенного назначения. Эти решения выверены многолетней практикой и их стоит придерживаться.

1.3. Основные стадии проектирования

Согласно ЕСКД проектирование включает в себя составление технического задания, технического предложения, эскизного и технического проектов.
Техническое задание (ТЗ) составляется на стадии проектирования 
связной или радиолокационной системы в целом. При учебном проектировании оно задается преподавателем. В ТЗ содержатся общие характеристики приемного устройства, характеристики принимаемых 
сигналов и помех, электрические характеристики приемника, конструктивные и эксплуатационные требования.
На стадии технического предложения выполняют анализ ТЗ, осуществляют подбор необходимой литературы, приводят и сравнивают 
различные варианты структурных схем радиоприемного устройства. 
При учебном проектировании техническое предложение завершается представлением черновых материалов преподавателю.
На стадии эскизного проектирования выбирают и обосновывают 
функциональную схему радиоприемного устройства, составляют принципиальную схему и производят ее расчет, разрабатывают конструк