Оценкапотенциальных значений основных технических параметров контрольного ответчика
1. Анализ основныхтехнических характеристик контрольного ответчика
Техническиехарактеристики и параметры дают возможность оценить количественно и качественноэлектрические свойства и конструктивные особенности устройства и, всовокупности, характеризуют их соответствие назначению. Необходимо отметить,что ряд характеристик предъявляются к системам вторичной радиолокации не толькос точки зрения технической целесообразности, но и с учетом требований,устанавливаемых конвенцией о международной гражданской авиации.
Основные тактико-техническиехарактеристики контрольного ответчика СОМ-64Кприведены в таблице 1.
Таблица 1 Тактико-технические характеристики контрольного ответчика СОМ-64КПараметры Режим работы РСП, УВД, УВД-М Режим работы RBS Частота приемника 837,5 и 1030 МГц 1030 МГц Промежуточная частота приемника 24,4 МГц 24,4 МГц Чувствительность приемника Не менее 65 дБ/Вт на частоте 837,5 МГц. Не менее 85 дБ/Вт на частоте 1030 МГц Не менее 85 дБ/Вт
Полоса пропускания
приемника 5 МГц 5 МГц
Динамический диапазон
приемника 30 дБ/Вт 50 дБ/Вт
Подавление боковых
лепестков по запросу Трехимпульсное Трехимпульсное Код запроса номера 9,4 мКс 8 и 17 мКс Код запроса высоты 14 мКс 21 мкс
Частота передатчика
в режимах РСП и УВД 730; 740; 750 МГц 1090 МГц
Стабильность частоты
передатчика ±1,8 МГц ±3 МГц
Частота передатчика
в режиме УВД-М 1090 МГц Стабильность частоты передатчика ±3,0 Мгц Мощность передатчика 0,2 ÷ 1 кВт 0,25÷1 кВт Длительность импульса передатчика 0,6 ÷ 1,0 мКс 0,35÷0,55 мКс Координатные коды ответа 11 и 14 мКс Координатный код индивидуального опознавания 6 мКс
Объем передаваемой информации в режимах УВД и УВД-М:
номера
высоты
запас топлива
100000
до 15 км (градация 10м)
10 разовых сообщений
4096
до 15 км (градация 31м) Задержка ответных сигналов на время, соответствующее дальностям 30, 50, 100 и 150 км 30, 50, 100 и 150 км
Питание от сети 220 В 420Гц и +27 В
Мощность потребления от220 В 420 Гц -250 Вт и от сети +27 В -50 Вт
Анализ приведенных втаблице 1 основных тактико-технических характеристики контрольного ответчикаСОМ-64К, показывает, что каждый из приведенных параметров реализуется с помощьюконкретных устройств, входящих в систему в целом. Например, за реализацию такихпараметров как: чувствительность, промежуточная частота, полоса пропускания,динамический диапазон и некоторых других параметров отвечает радиоприемноеустройство контрольного ответчика.
К основнымхарактеристикам, по которым формулируются технические требования к приемникам,относятся чувствительность, избирательность, помехозащищенность, уровеньсигнала на выходе, динамический диапазон, диапазон принимаемых частот,стабильность характеристик и потребляемой энергии.
Чувствительностьхарактеризует способность приемника выполнять свои функции при слабых входныхсигналах. Количественно чувствительность оценивается минимальным уровнемсигнала, наведенным в антенне, при котором обеспечивается заданное качествообработки информации в приемнике. Чем меньше уровень сигнала на входе, тем вышечувствительность приемника.
В диапазонах длинных,средних, коротких и ультракоротких волн чувствительность обычно определяетсяминимальной ЭДС сигнала в антенне ЕС. МИН, а приборы для измерениячувствительности градуируются в единицах напряжения. При длинах волн λ
РС. МИН = 10-14÷ 10-19 Вт
Критерий, отвечающийтребованиям качества обработки сигнала всей приемной системой, зависит от видасигналов и помех, воздействующих на приемник. При отсутствии специальноорганизованных помех с конкурирующей в приемных устройствах чувствительностьограничивается уровнем внешних и внутренних помех. Внутренние помехипредставляют собой флюктуационные шумы усилительных электронных приборов ирадиоэлементов электрических цепей, входящих в состав приемника. Внешние помехиделятся на естественные (электромагнитные излучения атмосферы, Земли, Солнца,космические лучи), индустриальные (создаются промышленными установками) ипомехи за счет излучений других работающих радиоэлектронных средств.
Указанные источники помехи шумов существенно ограничивают предельную чувствительность приемника, подкоторой понимается минимальная мощность сигнала на входе приемника приотношении сигнал/шум на выходе его линейной части, равен единице.
Избирательность –способность приемника выделять полезный сигнал из всех сигналов, возбужденных вантенне от посторонних источников помех. Все способы повышения избирательностибазируются на использовании различий между характеристиками полезного сигнала ипомех. Выявленные различия обеспечивают подавление (компенсацию) помех, вслучае отсутствия различий подавление помех невозможно.
Важной функцией приемникаявляется его частотная избирательность, которая зависит от частотных свойствантенны и способа обработки сигнала в приемнике.
При количественной оценкечастотной избирательности понимают величину коэффициента ослабления помех,принимаемых по соседнему каналу. Для этого измеряют характеристикуизбирательности приемника, выражающую нормированную зависимостьчувствительности приемника от частоты входного сигнала. По мере увеличениярасстройки приемника чувствительность уменьшается. Если полоса пропусканияприемника выбрана так, что обеспечивает прохождение всего спектра сигнала илинаиболее интенсивной его части, то для лучшей избирательности желательно иметьбоковые ветви характеристики возможно более крутыми. Коэффициент ослабления пососеднему каналу приема σП определяется из графикаизбирательности при величине расстройки относительно частоты ƒ0на величину полосы пропускания П:
σП = ЕС(ƒ0±П)/ ЕС (ƒ0)
Идеальная с точки зренияизбирательности была бы характеристика, имеющая прямоугольную форму. Поэтомуизбирательность иногда оценивается коэффициентом прямоугольности:
k П = Пσ/ П
где Пσ — ширина характеристики на заданном уровне σ (обычно σ =10; 100; 1000).
Из последнего выраженияследует, что идеальная прямоугольная характеристика имеет коэффициентпрямоугольности равный k П =1, что соответствует наивысшей степени частотнойизбирательности приемника.
В супергетеродинныхприемниках из-за наличия преобразователя частоты (смесителя) появляютсядополнительные каналы приема. Частоты настройки этих каналов определяютсячастотой помехи ƒ1, комбинация гармоник которой с гармоникамигетеродина дает промежуточную частоту ƒП = m ƒГ+n ƒ1.полоса частот, соответствующая настройке приемникаƒ0, называется основным каналом приема, а полосы ухудшенияизбирательности на определенных частотах ƒ1 – побочными илипаразитными каналами приема. По дополнительным каналам приема внутренние шумы ипомехи различного происхождения могут проходить на оконечное устройство.Механизм образования дополнительных каналов приема связан с образованиемпромежуточной частоты как вычитание частот кратных частоте гетеродина и частотвоздействующих на вход приемника. Паразитный канал, симметричный сигнальному,называется симметричным или зеркальным.
Кроме частотнойизбирательности, для борьбы с помехами используются также пространственнаяизбирательность, использующая пространственные различия в приходе полезногосигнала и помеховых колебаний.
Важной функцией приемникаявляется также качество воспроизведения принятого сигнала, которое зависит отстепени искажений, вносимых каскадами приемника. При этом существуют следующиевиды искажений: амплитудно-частотные, фазочастотные и нелинейные. Первый видискажений вызывается неравномерностью амплитудно-частотной характеристикиприемника в полосе частот принимаемого сигнала. Второй вид искажений обусловленнелинейностью фазочастотной характеристики и разбросом времени запаздыванияразличных спектральных составляющих сигнала при его прохождении через приемныйтракт. Наличие нелинейных искажений сопровождается не только искажением формысигнала, но и неодинаковым усилением различных уровней входного сигнала.Диапазон уровней входного сигнала, при котором обеспечивается необходимоекачество приема сигналов, называется динамическим диапазоном приемника.Количественно динамический диапазон ДПР определяется как отношениеуровня максимально допустимого сигнала (РВХ.МАКС) на входе кминимальному (Р МИН):
ДПР = РВХ.МАКС/ Р МИН
Так как реальные сигналызачастую обладают большим динамическим диапазоном, чем приемник, то в составего включают дополнительные устройства и применяют специальные методы формированияамплитудных характеристик, обеспечивающие расширение и согласование егодинамического диапазона с динамическим диапазоном оконечных устройств(регулировки усиления, усилители с логарифмическими амплитуднымихарактеристиками и т.д.).
Динамический диапазонприемника в значительной степени определяет его помехозащищенность, так какбольшинство существующих методов помехозащиты являются наиболее эффективными приусловии, когда уровень помехи не превышает динамического диапазона приемника.
Диапазон принимаемыхчастот – это совокупность частот, на которые может настраиваться приемник,сохраняя в заданных пределах свои основные технические параметры(чувствительность, избирательность и т.д.).
Частотная стабильность –это способность приемника сохранять основные технические параметры принастройке на частоту принимаемого сигнала. В реальных условиях качество приемаможет нарушаться вследствие нестабильности частоты передатчика и расстройкиотдельных элементов приемника. Для осуществления нормального приема применяютмеры, обеспечивающие регулировку частоты генераторов, входящих вприемо-передающую систему, и стабилизацию настройки резонансных элементовприемника при воздействии различных дестабилизирующих факторов (температуры,влажности, давления, вибрации и т.д.). Играет большую роль также старениерадиоэлементов усилительных трактов приемника и отклонение режимов работыисточников питания от номинальных.
Для систем вторичнойрадиолокации важным является учет влияния боковых лепестков диаграммынаправленности антенны. Из-за наличия боковых лепестков антенны запросчикавозможен ложный запуск ответчика, особенно на малых дальностях, что приводит кперегрузке аппаратуры ответчика. Подавление приема ответного сигнала по боковымлепесткам диаграммы направленности антенны запросчика осуществляется обычно спомощью введения дополнительного приемного канала со слабонаправленнойантенной, диаграмма направленности которой охватывает боковые лепестки основнойантенны ответчика. Параметры дополнительного канала приема подбираются такимобразом, чтобы сигналы на его выходе превышали по амплитуде сигналы на выходеосновного канала, принятые по боковым лепесткам, но были бы меньше сигналов,принятых по главному лепестку. Выделение и отбраковка ложных запросных сигналовосуществляется с помощью схемы вычитания.
2. Особенности построенияструктурных схем приемной части контрольного ответчика
При выборе и обосновании структурнойсхемы радиоприемного устройства необходимо стремиться к более полномуудовлетворению требований технического задания на весь контрольный ответчик вцелом. Вид структурной схемы приемного устройства в основном определяетсятипом схемы радиоприемника.
Для радиолокационнойтехники характерным являются три основных схемы радиоприемников: детекторная,прямого усиления и супергетеродинная.
Детекторные приемникиотличаются простотой схемы и конструкции, малыми габаритами и весом, небольшимпотреблением электроэнергии. Однако низкая чувствительность (порядка 10-8 Вт)и невысокая избирательность позволяют применять такие приемники только дляприема сравнительно мощных сигналов. Приемники прямого усиления благодаряналичию усилителя высокой частоты обладают лучшими чувствительностью иизбирательностью. При фиксированной частоте настройки конструкция преемникадостаточно проста, а основные технические показатели приемника приближаются кпоказателям супергетеродина. Приемник прямого усиления не имеет собственногоизлучения и побочных (паразитных) каналов приема.
Наиболее совершеннымявляется супергетеродинный приемник. Он позволяет получить высокуюизбирательность и полосу пропускания практически любой необходимой величины:как широкую (десятки МГц), так и весьма узкую (сотни Гц). В зависимости отполосы пропускания в приемнике может быть реализована чувствительность 10-14÷ 10-20 Вт.
Если в супергетеродинномприемнике необходимо иметь узкую полосу пропускания и одновременно высокуюизбирательность по зеркальному каналу, применяют многократное преобразованиечастоты. Необходимость в многократном преобразовании частоты выявляется послетого, когда станет ясно, что при выбранной с точки зрения обеспечения полосыпропускания промежуточной частоте требуемая избирательность по зеркальномуканалу оказывается трудно обеспечиваемой. Многократное преобразование частотыможет применяться также для облегчения корреляционно-фильтровой обработкисигнала.
Основу структурной схемырадиоприемного устройства составляет сигнальный тракт. Сигнальный тракт можетбыть одноканальным и многоканальным. Приемное устройство оказываетсямногоканальным в случаях определения угловых координат по методу мгновеннойравносигнальной зоны и парциальных каналов, приема сигналов на разнесенныеантенны (в моноимпульсных системах радиолокации, при реализации апертурнойобработки, параллельном обзоре пространства и измерении координат многих целейи т.д.).
При проектировании иконструктивном оформлении приемника выделяют три основных блока сигнальноготракта: блок высокой частоты, блок промежуточной частоты и блок низкой частоты.В свою очередь блок высокой частоты (БВЧ) включает в себя входную цепь,усилитель высокой частоты (УВЧ) и преобразователь частоты. Иногда поконструктивным соображениям к этому блоку относят также и предварительныйусилитель промежуточной частоты (ПУПЧ). Блок высокой частоты обеспечивает требуемуючувствительность приемника и его избирательность по побочным каналам приема(прежде всего по зеркальному).
В состав блокапромежуточной частоты входит усилитель промежуточной частоты (УПЧ) (главныйусилитель), обеспечивающий основное усиление и заданную избирательность пососеднему каналу приема. В случае применения многократного преобразованиячастоты блок промежуточной частоты может содержать несколько усилителей,работающих на разных промежуточных частотах.
Блок низкой частотысостоит из детектора и усилителя низкой частоты (УНЧ). В зависимости от числаустройств последетекторной обработки сигналов низкочастотный блок приемникаможет иметь различное число каналов, включать в себя устройство интегрированияна низкой частоте, а также пороговое устройство. Элементы структурной схемысигнального тракта по своему предназначению одинаковы при различных входныхсигналах. Однако в случае сложных сигналов, когда осуществляется их оптимальнаяобработка, обычная супергетеродинная схема дополняется новыми элементами:согласованным фильтром либо коррелятором.
Кроме блоков сигнальноготракта, приемное устройство может содержать вспомогательные системы:автоматическую подстройку частоты (АПЧ), автоматическую регулировку усиления(АРУ), помехозащиту и блок питания.
Приемное устройствоявляется составной частью контрольного ответчика. Поэтому электрическиехарактеристики, особенности схемы и конструкции приемника должны определяться всоответствии с тактико-техническими и конструктивными особенностями ответчика вцелом.
С учетом анализаособенностей различных схем построения приемных устройств, а также требований,предъявляемых к контрольному ответчику, таких как чувствительность приемника иего динамический диапазон, целесообразно радиоприемное устройство контрольногоответчика строить по супергетеродинной схеме.
3. Оценка выбора значенияпромежуточной частоты
При выборе промежуточнойчастоты необходимо исходить из следующих соображений:
1. Промежуточная частота должна лежатьвне диапазона принимаемых частот и возможно дальше отстоять от границ этогодиапазона.
2. Должна обеспечивать заданноеослабление зеркального и соседнего каналов приема.
3. Должна обеспечивать необходимуюполосу пропускания приемника.
4. Должна обеспечивать возможностьконструктивной реализации затухания контуров межкаскадных цепей
ƒПР ≤(0,8 ÷ 1,2 ) П / dК (1)
где dК –собственное затухание контуров УПЧ.
В радиоприемникахнепрерывных сигналов промежуточная частота должна удовлетворять условие ƒПР≥(10 ÷ 20) FМАКС, где FМАКС – максимальнаячастота модуляции принимаемого сигнала.
Для импульсных сигналов сдлительностью τИ, кроме того должно выполняться условие
ƒПР ≥(10÷ 20) / τИ (2)
обеспечивающее хорошеевоспроизведение формы сигнала.
При уточнениипромежуточной частоты следует учитывать, что более низкая промежуточная частотапозволяет:
— получить меньшийкоэффициент шума в УПЧ, что важно для приемников сантиметровых и миллиметровыхволн, не имеющих УВЧ;
— повысить коэффициентустойчивого усиления и стабильность работы УПЧ;
— снизить величинуизменений показателей УПЧ (коэффициента усиления, полосы пропускания) при сменеламп;
— легче реализоватьусилитель с узкой полосой пропускания.
С увеличениемпромежуточной частоты:
— лучше выполняютсясоотношения
ƒПР ≥(5÷ 10) ƒМ МАКС и ƒПР ≥(10 ÷20) / τИ
— повышается подавлениезеркального и других побочных каналов приема;
— уменьшается влияниешумов гетеродина на чувствительность радиоприемника, что существенно вприемниках без УВЧ, работающих в диапазоне сантиметровых волн;
— облегчается получениешироких полос пропускания в УПЧ;
-облегчаются условиянадежной работы системы АПЧ гетеродина;
— уменьшаются габаритыконтуров УПЧ.
Если значенияпромежуточной частоты, определяемой из разных требований (например, фильтрацияпромежуточной частоты и полоса пропускания), оказываются существенноразличными, то необходимо применять двойное преобразование частоты. Двойноепреобразование применяется также при повышенных требованиях к подавлению помехпо соседнему и зеркальному каналам приема. В таком усилителе тракт первойпромежуточной частоты имеет относительно небольшое усиление и избирательность.Задачей главного усилителя, настроенного на более низкую промежуточную частоту,является обеспечение основного усиления и избирательности по сигналу.
Значения промежуточныхчастот приемников могут быть выбраны в диапазоне от 30 кГц до 100 МГц иопределяются параметрами элементов обработки радиолокационных сигналов.
С учетом приведенныхрекомендаций по выбору промежуточной частоты, тактико-технических характеристикСОМ-64К, а также данных приведенных в приложении 1, можно заключить, чторазработчиками контрольного ответчика была выбрана несколько заниженноезначение промежуточной частоты, которая, тем не менее, обеспечивает эффективноеподавление зеркального канала приема и удовлетворяющее условиям (1 и 2). Какпоказывают расчеты, по выражению (1):
ƒПР ≤(0,8 ÷ 1,2 ) П / dК ≤ (0,8 ÷ 1,2 ) 5 / 0,008 ≤500 МГц
и по выражению (2):
ƒПР ≥(10÷ 20) / τИ ≥(10 ÷ 20) / 0,6 ≥ 20 МГц.
Анализ принципиальнойсхемы приемника контрольного ответчика СОМ-64К показывает, что при выбраннойпромежуточной частоте ƒПР= 24,4 МГц, полосе пропускания П= 5МГц и требуемом обеспечении нормальной работы детектора блок усилителейпромежуточной частоты содержит восемь каскадов усиления, из которых первыешесть реализованы на двойках расстроенных контуров.
4. Оценка выбора полосыпропускания
Полоса пропусканияприемника оказывает решающее влияние на ряд других технических показателейприемника.
При ее определениинеобходимо учитывать:
1. Максимальнуюширину и ширину информативной части спектра принимаемого сигнала (в случаяхчастотной модуляции и фазовой манипуляции).
2. Допустимыеискажения сигнала.
3. Нестабильностьчастот генератора передатчика и гетеродина приемника.
4. Вид обработкипринимаемого сигнала (неоптимальная, квазиоптимальная, оптимальная).
Для приемников простыхимпульсных сигналов полоса пропускания П определяется по разному в зависимостиот назначения приемника. В приемниках РЛС точного определения координат выбор полосыпропускания резонансного тракта производится из условия обеспечения заданноговремени нарастания импульса (длительности фронта): П=(2÷4)/τИ,где τИ – длительность зондирующего сигнала. В приемниках РЛСобнаружения полоса пропускания резонансного тракта составляет:П=(1÷1,3)/τИ .
При наличиинестабильности частот генератора передатчика и гетеродина приемника идоплеровского сдвига частоты сигнала, отраженного от движущейся цели, полосупропускания приемника, в котором не имеется системы АПЧ, следует расширить навеличину
∆П=F(∆ƒГЕН, ∆ƒГЕТ,∆ƒРЕЗ, ∆ƒД..МАКС)
где ∆ƒГЕНи ∆ƒГЕТ — вероятные уходы частот задающего генераторапередатчика и гетеродина приемника соответственно; ∆ƒРЕЗ– возможная расстройка резонансного тракта приемника; ∆ƒД..МАКС – возможная максимальная частота Доплера.
Если в приемникепредусмотрена система АПЧ, обладающая коэффициентом автоподстройки КАПЧ (КАПЧ=20-30), то зависимость ∆П от ∆ƒГЕН и ∆ƒГЕТуменьшается на соответствующую величину КАПЧ раз.
Знание полосы пропусканиярезонансного (линейного) тракта позволяет ориентировочно определить полосыпропускания отдельных блоков приемника на основании следующих соотношений:
ПБВЧ =(5÷15)П;
ПУПЧ =(1,1÷1,2)П;
ПБНЧ =(0,7÷0,8)П.
Чем шире полосапропускания П, тем меньше следует брать величину коэффициента в выражении для ПБВЧ, а в выражении для ПУПЧ – больше. При этом общая полосапропускания приемника составляет:
ППР = ПУПЧ/[ 1+( ПУПЧ / ПБВЧ )2 +( ПУПЧ /ПБНЧ )2 ]-1/2
Приемники сложныхимпульсных сигналов с частотной модуляцией или фазовой манипуляцией внутриимпульса рассчитываются на оптимальную обработку. При оптимальной обработке спомощью согласованного фильтра, последний, как правило, устанавливается втракте промежуточной частоты. В таком приемнике элементы резонансного тракта (каскады усилителей высокой и промежуточной частот), расположены передсогласованным фильтром, не должны искажать спектр принимаемого сигнала. Поэтомуполоса пропускания этих элементов должна в 1,2 ÷ 1,5 раз превышатьширину спектра сигнала.
Аналогичные соображениянеобходимо принимать во внимание при выборе полосы пропускания корреляционногоприемника, в котором на входы перемножителя должны поступать усиленные сигналыбез искажений.
Полоса пропусканияэлементов, расположенных после перемножителя, выбирается с учетом сжатияспектра принимаемого сигнала в процессе корреляционной обработки.
Для приемника сигналовнепрерывного излучения ширина спектра частот определяется с учетом: индексамодуляции, максимальной частоты модуляции, максимального отклонения частоты отнесущей. Далее по ширине спектра сигнала определяется полоса пропусканиярезонансного тракта приемника. Распределение полосы пропускания резонансноготракта приемника непрерывных сигналов производится, как и в случае приемникапростых сигналов. При этом следует учитывать, что в процессе преобразованиясигнала возможно сжатее его по спектру. В результате этого ширина спектрасигнала, проходящего по приемному тракту, меняется, отличаясь от спектраизлучаемого (зондирующего) сигнала. Сжатие по спектру может иметь место прикорреляционно-фильтровой обработке непрерывного сигнала. Тогда при выборе полоспропускания отдельных элементов резонансного тракта приемника принимаются вовнимание те же соображения, что и для корреляционного приемника сложных импульсныхсигналов.
Необходимая полосапропускания супергетеродинного радиоприемника в общем случае может бытьопределена по формуле:
П =ПС+КЧ (2δ СƒС + 2δГƒГ1 +2δ ГƒГ2+2δ ПƒП +2 ∆ ƒД )/КАПЧ, (3)
где ПС — ширина спектра принимаемого сигнала;
КЧ = (0,3÷ 0,8) – коэффициент совпадения уходов частоты;
КАПЧ –коэффициент автоподстройки частоты (КАПЧ = 1 – при отсутствииавтоподстройки; КАПЧ = 10 ÷ 30 – при наличии частотнойавтоподстройке;
КАПЧ = ∞– при наличии фазовой автоподстройке.)
δ С, δГ, δ П – максимально возможные относительные уходычастоты передатчика, гетеродинов и промежуточной частоты от номинальныхзначений { δ С = (3 ÷7)*10-5; δ Г= 5*10-3 ÷ 10 -4; δ П = (1÷5)*10-4; при однократном преобразовании частоты слагаемое2δ ГƒГ2 приравнивается нулю};
∆ ƒД– доплеровское смещение частоты { ∆ ƒД = υРƒС/ с — при приеме сигнала от подвижного передатчика; ∆ ƒД= 2 υРƒС / с — при приеме сигнала черезретранслятор, перемещающийся относительно передатчика; υР –скорость подвижного объекта; с – скорость света с =3*108 м/сек}.
Ширина спектрапринимаемого сигнала зависит от вида модуляции, числа каналов приема инекоторых других специфических факторов, зависящих от назначения приемника. Таккак в рассматриваемом контрольном ответчике используется имульсно-временноекодирование, то зондирующим сигналом является прямоугольный радиоимпульс безвнутриимпульсной модуляции. Для таких импульсных сигналов ширина спектраопределяется по выражениям:
ПС =(1÷2) / τ И – в случае отсутствия ограничений на формуимпульса;
ПС =(1÷2) / tУ — в случае требований к минимальным искажениямфронта импульса.
Выполним расчет значенияширины полосы пропускания (ПРАСЧ) для контрольного ответчика повыражению (3) и сравним полученное значение с полосой пропускания приемниказаданное в тактико-технических характеристиках СОМ-64К [1].
ПС =(1÷2) / τ И =2/0,6 =3,33 МГц (для τ И=0,6мКс)
Примем значениекоэффициент совпадения уходов частоты КЧ = 0,8, что соответствуетсамому тяжелому режиму работы приемного устройства.
Первое слагаемоевыражения (3) будет составлять на частоте сигнала
ƒС=1000МГц: 2δ СƒС = 5*10-5*1000*106 = 0,1 МГц.
Второе слагаемоевыражения (3) будет составлять на частоте гетеродина при промежуточной частотеравной 25 МГц:
2δ ГƒГ1=2*10-4* 975*106 = 0,2 МГц.
Третье слагаемоевыражения (3) приравниваем нулю, так как в приемнике используется однократноепреобразование частоты.
Четвертое слагаемоевыражения (3) будет составлять на промежуточной частоте равной 25 МГц:
2δ ПƒП= 2*5*10-4*25*106 = 0,025 МГц.
Пятое слагаемое выражения(3) учитывающее доплеровское смещение частоты, вычислим для подвижного объекталетящего со скоростью 1000 м/сек :
∆ ƒД= 2 υРƒС / с = 2*1000*1000*106 /3*108 = 0,07 МГц.
Отсюда, с учетом (3)окончательно получаем расчетную ширину полосы пропускания приемника для КАПЧ= 1 ( при отсутствии автоподстройки):
ПРАСЧ = 3,33 +0,8(0,1 +0,2 +0.025 + 0,07) = 3,65 МГц.
Полученный результатсвидетельствует о том, что полоса пропускания приемного устройства вконтрольном ответчике выбрана чуть больше расчетной, так как ПРАСЧ
5. Обоснование типаусилителя промежуточной частоты
Усилители промежуточнойчастоты, по величине относительной ширины полосы пропускания подразделяются наузкополосные (П /ƒП ≤ 0,05) и широкополосные (с большейотносительной полосой).
При заданныхтактико-технических характеристик на контрольный ответчик (П=5 МГц и ƒП= 24,4 МГц) СОМ-64К следует, что используемая схема УПЧ относится к классу(5/24,4 = 0,2) широкополосных усилителей.
По характерураспределения избирательности в каскадах УПЧ различают избирательные усилителис распределенной и сосредоточенной избирательностью. В УПЧ с распределенной избирательностьюфункции усиления и избирательности обеспечиваются в каждом каскаде. По числу резонансныхконтуров усилители подразделяются на одноконтурные и двухконтурные. Водноконтурных усилителях все контуры могут быть настроены на промежуточнуючастот (настроенные УПЧ) или могут иметь соответствующую расстройку (УПЧ спарами или тройками расстроенных каскадов). В двухконтурных усилителяхприменяются полосовые фильтры, образованные системой связанных контуров.
По способу включенияэлектронных усилительных приборов УПЧ подразделяют на усилители с общимэмиттером и УПЧ с каскодным включением транзисторов (чаще по схеме ОЭ-ОБ).Широко используются УПЧ на интегральных схемах.
Усилители промежуточнойчастоты могут выполняться либо в виде одного блока с приблизительно однотипнымикаскадами (или группами каскадов), либо в виде двух блоков – блока предварительногои блока главного усилителя. В последнем случае, типичным для приемников, неимеющих УВЧ, предварительный усилитель (ПУПЧ) размещается вблизи антенны. Ондолжен обладать малым коэффициентом шума и обеспечивать усиление сигнала,достаточное для компенсации потерь сигнала в кабеле, соединяющем обаусилительных блока, и создания необходимого превышения уровня сигнала надуровнем возможных помех.
Для широкополосногоусиления сигнала на промежуточной частоте широко используют одноконтурные схемыс настроенными и расстроенными каскадами, а также схемы с двухконтурныминастроенными каскадами.
Выбирая тип схемыширокополосного УПЧ, необходимо учитывать достоинства и недостатки различныхсхем по простоте настройки и регулировки, качеству воспроизведения формысигнала, избирательности по соседнему каналу, критичности к разбросу параметровусилительных электронных приборов, стабильности фазового сдвига и временизапаздывания.
С точки зрения простотысхемы лучшими являются одноконтурные настроенные усилители. Эти усилители посравнению с другими типами УПЧ при равных полосах пропускания в меньшей степениискажают форму радиоимпульса и менее чувствительны к разбросу параметров ламп итранзисторов.
В процессе эксплуатацииприемных устройств с многоканальными трактами промежуточной частотысущественное значение имеет стабильность их амплитудно-частотных характеристик.В этом отношении также предпочтительнее одноконтурные настроенные усилители.
Вместе с тем поэффективности и избирательности более совершенными являются усилители нарасстроенных тройках, затем следуют усилители двухконтурные и на парах, а самыенизкие показатели имеют одноконтурные настроенные усилители.
Практически одноконтурныенастроенные УПЧ применяются, если требуемая полоса пропускания не превышает 2÷ 3 МГц; одноконтурные расстроенные на парах — 5 ÷ 10 МГц иодноконтурные расстроенные на тройках — 15 ÷ 20 МГц. Однако при высокихтребованиях к избирательности по соседнему каналу, с целью повышенияпрямоугольности формы амплитудно-частотной характеристики усилителя, схемы напарах и тройках расстроенных контуров могут использоваться и при меньшихзначениях ширины полосы пропускания.
В узкополосных усилителяхпромежуточной частоты применяют схемы с полосовыми фильтрами распределеннойизбирательности (двухконтурные или трехконтурные) и с фильтрами сосредоточеннойизбирательности. Последние позволяют получить высокую избирательность и оченьузкую полосу пропускания. Такие свойства в усилителе обеспечиваются привведении в его состав многозвенных полосовых или электромеханических фильтров(пьезоэлектрических и магнитострикционных).
Одноконтурные усилителипромежуточной частоты целесообразно применять в случаях, когда кизбирательности по соседнему каналу не предъяляются высокие требования. Ониобычно реализуются на биполярных транзисторах с общим эмиттером, на каскодныхсхемах включения транзисторов ОЭ-ОБ или на интегральных микросхемах К171, К175сериях (К175УВ4).
Противоречия, возникающиемежду необходимостью обеспечения широкой полосы пропускания, с одной стороны,максимальным коэффициентом усиления и избирательностью, с другой, вынуждаетискать пути их разрешения. Одним из путей разрешения этих противоречий являетсяпереход от одноконтурных настроенных усилителей к усилителям с взаимнорасстроенными каскадами. Наиболее широкое применение нашли усилители с парами итройками расстроенных каскадов. Характерной особенностью усилителей с парамирасстроенных каскадов является то, что каждый из двух каскадов, составляющихпару, расстраивается относительно средней частоты ƒП полосыпропускания усилителя: первый каскад настраивается на частоту ƒП1, несколько большую, чем частота ƒП, второй каскад – начастоту ƒП2, несколько меньшую, чем частота ƒП.Форма амплитудно-частотной характеристики пары каскадов зависит от начальной(фиксированной) расстройки каскадов ε0. при малых расстройкаххарактеристика имеет один максимум; по мере увеличения ε0вершина характеристики становится все более и более плоской. Максимальноплоская вершина получается при критической расстройке: ε0= 1. При дальнейшем увеличении расстройкиε0характеристика становится двугорбой с провалом по частотеƒП и с максимумами при ε =± (ε0– 1)1/2.
Особенностью усилителей стройками расстроенных каскадов является то, что в каждую такую группу входиттри каскада. Два из них симметрично расстроены относительно промежуточнойчастоты ƒП, а третий настроен на промежуточную частоту ƒП. Симметричность расстройки и равенство добротностей (затуханий) контуров двухрасстроенных каскадов обеспечивает симметрию результирующей резонансной кривойУПЧ.
Формаамплитудно-частотной характеристики (резонансной кривой) рассматриваемоготрехкаскадного усилителя может в зависимости от того, превышает или нетрасстройка контуров ε0критическую величину ε0 КР, иметь один или три максимума.
По мере уменьшенияначальной расстройки ε0максимумы и минимумы сближаются и прикритической расстройке ε0 КР = 31/2амплитудно-частотная характеристика УПЧ будет иметь максимально плоскую вершинуи ее форма еще больше приближается к прямоугольной. Выполним сравнение между собой рассмотренных схем УПЧвыполненных на усилителях с одноконтурными фильтрами. Будем полагать, что всетри типа усилителей (одноконтурными настроенными каскадами, с парамирасстроенных каскадов и с тройками расстроенных каскадов) имеют одинаковоечисло каскадов m = 6 (mП = 3; mТ =2), усилительныеэлементы во всех усилителях одинаковы, коэффициенты усиления и резонансныечастоты всех трех усилителей равны между собой. Результаты сравнения приведеныв таблице 2.
Таблица 2
Сравнительнаяхарактеристика УПЧ с одноконтурными фильтрамиТип усилительного каскада Полоса пропускания Коэффициент ослабления помех, принимаемых по соседнему каналу С одноконтурными одинаково настроенными фильтрами П 3,2 С парами взаимно расстроенных одноконтурных каскадов 2,05П 11,8 С тройками взаимно расстроенных одноконтурных каскадов 2,5П 26
Анализ данных приведенныхв таблице 2, показывает, что наиболее эффективным усилителем по коэффициентуослабления помех, принимаемых по соседнему каналу, является усилительвыполненный на тройках взаимно расстроенных одноконтурных каскадах. Однаконеобходимо отметить, что такое повышение коэффициент ослабления помех, связанос увеличением числа усилительных каскадов на одну треть и со сложностьюнастройки всего УПЧ в целом. На основании этого можно сделать вывод, чтовыполненная схема УПЧ на парах взаимно расстроенных одноконтурных каскадах вконтрольном ответчике СОМ-64К является наиболее целесообразной и обоснованной,так как способна обеспечить требуемые тактико-технические характеристики всегоустройства в целом.
6. Обоснование схемырегулировки усиления амплитудной характеристикой усилителя промежуточнойчастоты
Одним из основныхтребований, предъявляемых к современному приемному устройству, являетсяотсутствие в нем перегрузки. Часто это требование обеспечивается введением вприемный тракт усилителей с логарифмической амплитудной характеристикой (ЛАХ).Качество работы УПЧ с ЛАХ характеризуется следующими показателями:
1) динамическимдиапазоном по входному напряжению
D ВХ =U ВХ.К / U ВХ.Н или в децибелах D ВХ = 20 lg (U ВХ.К / U ВХ.Н),
где U ВХ.Н и UВХ.К – уровни входных напряжений, при которых начинается и кончаетсялогарифмический участок амплитудной характеристики;
2) динамическимдиапазоном по выходному напряжению
D ВЫХ =U ВЫХ.К/ U ВЫХ.Н или в децибелах D ВЫХ = 20 lg (U ВЫХ.К/ UВЫХ.Н),
где U ВЫХ.Н иU ВЫХ.К – уровни выходных напряжений соответствующие началу и концулогарифмического участка амплитудной характеристики;
3) коэффициент сжатия усиливаемогонапряжения
С = D ВХ / D ВЫХ
4) коэффициент усиления К0при работе усилителя в линейном режиме
(U ВХ. ≤U ВХ.Н)
5) полосой пропускания ПУПЧ.
Все многообразие схемныхрешений усилителей с ЛАХ можно свести к двум модификациям:
1) усилителям спеременным коэффициентом усиления;
2) усилителям спеременным числом каскадов.
В первую группуобъединены усилители, содержащие в своей нагрузке нелинейные сопротивления,величина которых является функцией приложенного к ним напряжения, за счет этогои производится регулировка коэффициента усиления усилителя. Наиболеераспространенным примером второй группы усилителей является многокаскадныйусилитель с последовательным детектированием. Схема такого усилителяпредполагает, что к выходу каждого или группы каскадов УПЧ подключеныамплитудные детекторы. Поскольку все детекторы подключены к общей нагрузке, тоусиливаемый сигнал попадает на выход усилителя, минуя перегруженные каскады.Таким образом, усилитель в целом не перегружается до тех пор, пока не войдет внасыщении первый каскад усилителя.
Поскольку каскадылогарифмического УПЧ с последовательным детектированием должны бытьидентичными, то они могут выполняться только по схеме усилителей с настроеннымикаскадами (одноконтурными или двухконтурными).
Согласно техническогоописания на контрольный ответчик СОМ-64К, канал УПЧ обеспечивает амплитуднуюлогарифмическую характеристику приемника на частоте 1030МГц в динамическомдиапазоне 50дБ (316,2 раза), благодаря наличию трех раздельных амплитудныхдетекторов на выходах 4, 6 и 8 каскадов усиления.
Отсюда следует, чторазработчиками контрольного ответчика СОМ — 64К была выбрана наиболее простая и достаточно эффективнаясхема регулировки усиления, путем использования логарифмической амплитуднойхарактеристики приемника, реализуемой за счет последовательного детектированиямногокаскадного УПЧ.