Практическое использование специальных шкал децибел при проверке чувствительности радиоприемников. Что такое реальная чувствительность? Основные качественные показатели радиоприемников

Чувствительность является мерой способности радиоприемного устройства обеспечивать прием слабых радиосигналов. Количественно оценивается минимальным значением ЭДС сигнала на входе радиоприемного устройства, при котором имеет место требуемое отношение сигнал-шум на выходе при отсутствии внешних помех.

Чувствительность радиоприёмника, способность радиоприёмника принимать слабые по интенсивности радиосигналы и количественный критерий этой способности. Последний во многих случаях определяется как минимальный уровень радиосигнала в приёмной антенне (эдс, наводимая сигналом в антенне и выражаемая обычно в мв или мкв , либо напряжённость поля вблизи антенны, выражаемая в мв/м ), при котором содержащаяся в радиосигнале полезная информация ещё может быть воспроизведена с требуемым качеством (с достаточными громкостью звучания, контрастностью изображения и т.п.). В простейших радиоприёмниках чувствительность зависит главным образом от степени усиления сигналов в них: с увеличением коэффициента усиления нормальное воспроизведение информации достигается при более слабом радиосигнале ( считается при этом более высокой). Однако в сложных радиоприёмных устройствах (например, связных) такой путь повышения Чувствительность радиоприёмника теряет смысл, поскольку в них интенсивность полезных радиосигналов может оказаться сравнимой с интенсивностью действующих на антенну одновременно с этими сигналами внешних помех радиоприёму , искажающих принимаемую информацию. Предельная Чувствительность радиоприёмника в этом случае называется чувствительностью, ограниченной помехами; она является параметром не только приёмника, но зависит и от внешних факторов. При наиболее благоприятных условиях (главным образом при приёме в диапазоне метровых и более коротких волн и особенно при космической радиосвязи) внешние помехи слабы и основным фактором, ограничивающим Чувствительность радиоприёмника , становятся внутренние флуктуационные шумы радиоприёмника (см. Флуктуации электрические ). Последние в нормальных условиях работы радиоприёмника имеют постоянный уровень, поэтому Чувствительность радиоприёмника , ограниченная внутренними шумами, - вполне определённый параметр; за меру Чувствительность радиоприёмника в этом случае часто принимают непосредственно уровень внутренних шумов, характеризуемый коэффициентом шума или шумовой температурой (см. также Пороговый сигнал ).Чувствительность приемника - одна из главных его характеристик, которая определяет возможность дальнего приема передач. Чем меньше чувствительность, тем "дальнобойнее" приемник. Поэтому применительно к чувствительности обычно пользуются выражениями лучше-хуже вместо больше-меньше, понимая под лучшей чувствительностью такую, которая выражается ее меньшим значением. Существует несколько определений чувствительности, и во избежание путаницы всегда необходимо знать, о какой чувствительности идет речь. Приняты следующие определения: чувствительность, ограниченная усилением; чувствительность, ограниченная синхронизацией; чувствительность, ограниченная шумами.

Чувствительность радиоприемника является параметром, который позволяет оценить возможность приемника принимать слабые сигналы радиостанций. Различают максимальную и реальную чувствительность приемника.

Реальная чувствительность определяет минимальный уровень входного сигнала, при котором обеспечивается стандартная (испытательная) выходная мощность при заданном соотношении напряжения входного сигнала к напряжению шумов. Для отечественных приемников испытательная выходная мощность принята равной 50 или 5 мВт, в зависимости от класса приемника. Заданное соотношение сигнал-шум при измерении реальной чувствительности приемника в диапазонах ДВ, СВ, KB - не менее 20 дБ, на УКВ - не менее 26 дБ.

Чувствительность приемника по напряжению (для наружных антенн) измеряется в микровольтах. Чувствительность приемника тем выше, чем меньше это напряжение. При работе с внутренней (встроенной) антенной чувствительность выражается минимальной напряженностью электрического поля и измеряется в микровольтах или милливольтах на метр (мкВ/м или мВ/м).

Максимальная чувствительность - это чувствительность, ограниченная усилением. Она определяет такой минимальный уровень сигнала, при котором обеспечивается стандартная (испытательная) выходная мощность при установке всех органов управления приемника в положения, соответствующие максимальному усилению. Чувствительность радиоприемника зависит от многих факторов: усилительных свойств всех каскадов тракта приемника, уровня собственных шумов, ширины полосы пропускания и др.

Современные приемники обладают очень высокой чувствительностью. Например, приемники высшего класса в УКВ диапазоне имеют чувствительность 1... 2 мкВ, а в диапазоне KB - 5... 10 мкВ.

Чувствительность радиоприемника обычно выражается в мил­ливольтах на метр (мВ/м) или в микровольтах (мкВ). Наибольшей чувствительностью обла­дают супергетеродинные радиопри­ёмники (супергетеродины), в которых с помощью специальных устройств- гетеродина и смесителя-перед детек­тированием производится преобразование (понижение) частоты радиосигнала, не изме­няющее закона модуляции. Полученный в результате преобразования сигнал т. н. про­межуточной частоты дополнительно усилива­ется по ней, после чего детектируется и снова усиливается (по звуковой частоте).

Свойство радиоприемного устройства, позволяющее отличать полезный радиосигнал от радиопомехи по определенным признакам, свойственным радиосигналу, называется избирательностью . Иначе, это способность радиоприемного устройства выделять нужный радиосигнал из спектра электромагнитных колебаний в месте приема, снижая мешающие радиосигналы.

Различают пространственную и частотную избирательности. Пространственная избирательность достигается за счет использования антенны, обеспечивающей прием нужных радиосигналов с одного направления и ослабление радиосигналов с других направлений от посторонних источников. Частотная избирательность количественно характеризует способность радиоприемного устройства выделять из всех радиочастотных сигналов и радиопомех, действующих на его входе, сигнал, соответствующий частоте настройки радиоприемника.

Избирательность - параметр, характеризующий способность радиоприемника принимать и усиливать сигнал рабочей частоты на фоне "мешающих" сигналов других передатчиков, работающих на соседних каналах (частотах). Этот параметр часто путают или смешивают с понятием "помехозащищенность". Помехозащищенность - более широкое, нежели избирательность, понятие. Ведь помехой можно считать как сигнал другого передатчика, который излучает постоянно на соседней частоте, так и кратковременный разряд молнии, при котором излучается очень широкий спектр частот. Но если относительно узкополосный сигнал соседнего передатчика удается нейтрализовать схемотехническими решениями (частотной селекцией или фильтрацией), то широкополосный кратковременный сигнал помехи отфильтровать практически невозможно, и с помехой приходится бороться другими способами, в частности, применяя специальные способы кодирования и последующей обработки информационной составляющей сигнала. Именно на этом принципе построены РСМ-устройства.

Термин "избирательность" в характеристике радиоприемного устройства обычно дополняют словами "по соседнему каналу" и характеризуют его при помощи конкретных физических понятий и величин. Обычно это звучит примерно так: "избирательность приемника по соседнему каналу составляет - 20 dB при расстройке +/- 10 кГц". Физический смысл этой неуклюжей фразы таков: если частота "мешающего" сигнала отличается от "рабочей" частоты на 10 кГц (выше или ниже), то при равных уровнях "полезного" и "мешающего" сигналов на входе приемника, уровень "мешающего" сигнала на выходе приемника будет на 20 dB (в 10 раз) меньше уровня "полезного" сигнала. А если этот параметр будет равен -40 dB, то "мешающий" сигнал ослабнет в 100 раз и т.д. Иногда этот многоэтажный параметр заменяют одной из составляющих - шириной полосы пропускания. Ширина пропускания в выше приведенном примере равна 20 кГц, или +/- 10 кГц относительно центральной частоты (которая у нас определяется номером канала). Дальше мы поясним это при помощи спектральной диаграммы. А вот "помехозащищенность" РРМ приемника, к сожалению, однозначно охарактеризовать не удается.

В УКВ диапазоне избирательность по соседнему каналу измеряется при двух значениях расстройки мешающего сигнала - 120 и 180 кГц. Это объясняется тем, что для системы радиовещания в диапазоне УКВ, ближайший соседний канал (мешающий) отстоит от частоты полезного сигнала на 120 кГц, когда оба сигнала имеют одну и ту же синфазную модуляцию, а ближайший соседний канал, имеющий другую модуляцию, отстоит от частоты полезного сигнала на 180 кГц.

Избирательность по соседнему каналу определяется в основном трактом промежуточной частоты и в пределах диапазона изменяется незначительно.

Избирательность по зеркальному каналу определяет ослабление радиоприемником мешающего сигнала, отстоящего от принимаемого на удвоенное значение промежуточной частоты. Селективные (избирательные) свойства радиоприемника по зеркальному каналу определяются резонансными свойствами избирательных цепей до преобразователя частоты (входных цепей, УВЧ).

Избирательность по промежуточной частоте определяет ослабление приемником мешающего сигнала, частота которого равна промежуточной частоте приемника. Работа радиостанций на этих частотах запрещена. Однако в ряде случаев гармоники радиостанций могут совпадать с промежуточной частотой приемника. При этом они могут быть сильными помехами при приеме других радиостанций.

Ослабление помехи с частотой, равной промежуточной, осуществляется резонансными контурами входных цепей и усилителя высокой частоты. Для большего ослабления этой помехи на входе приемника включают специальный фильтр, который настраивают на промежуточную частоту и тем самым ослабляют проникновение помехи во входные контуры приемника.

Любое электронное устройство, а тем более такое сложное, как стереорадиоприемник, чтобы производитель имел законное право его продавать, должно удовлетворять длинному перечню специальных требований. Однако для покупателя обычно доступна только часть параметров, приводимая в перечне технических характеристик. Среди них всегда и в первую очередь - чувствительность, затем избирательность, отношение сигнал/шум, коэффициент нелинейных искажений и ряд других. По этим причинам покупающему многоканальный AV-ресивер, классический тюнер или автомагнитолу, дабы не сожалеть впоследствии о качестве приема, требуется подойти к оценке своего будущего приобретения во всеоружии.

Чувствительность

Зависимости выходного сигнала, шумов и стереоразделения от уровня входного сигнала

Чувствительность характеризует способность радиоприемника принимать слабый радиосигнал. Это минимальный входной сигнал, при котором обеспечивается выходной сигнал требуемого уровня при оговоренных условиях, обычно это отношение сигнал/шум. При взгляде на таблицу параметров в инструкции бросается в глаза то, что наиболее подробно изготовители приводят данные о чувствительности: может приводиться до пяти ее значений с комментариями, определяющими условия измерения. Тут и максимальная чувствительность, и чувствительность в режиме прима "стерео" и "моно". Какая из них самая главная? На что обращать внимание в первую очередь? Достижение какого ее значения может служить залогом высокого качества приема? А может, это все от лукавого?
Обычно обязательно присутствует значение чувствительности, которую по аналогии с ГОСТом можно назвать максимальной, обозначаемую как usable sensitivity (некоторые фирмы в русскоязычных вариантах инструкций называют ее реальной чувствительностью) и с указанием, что значение получено при измерении в соответствии со стандартом IHF. Этот американский стандарт оговаривает параметры и условия измерения приемников FM-сигнала и именно в соответствии с его требованиями приводятся значения чувствительности, выраженные в dBf. Мы уже писали, что dBf, или в русском написании дБф, относительная величина, определяющая чувствительноть в децибелах относительно напряжения, соответствующего фемтоватту на нагрузке 75 Ом. Собственно сам фемтоватт - мощность ничтожная, в 10 -15 меньше ватта, т.е. 1, деленная на 1000000000000000 (миллион миллиардов). Для наглядности пояснений мы приводим номограмму, которая позволяет легко сравнить значения чувствительности в мкВ и дБф.
Чтобы понять, почему отличаются значения чувствительности, обратимся ко второму рисунку, где показаны зависимость выходного сигнала, шумов и сререоразделения от уровня входного сигнала. Конечно, это графики реального приемника и аналогичные графики для других моделей могут отличаться числовыми значениями, но характер зависимостей сохраняется всегда.
Некоторые изготовители просто точно указывают условия измерений (например, при уровне искажений 3% и отношении сигнал/шум 26 дБ), что чаще всего соответствует требованиям этого американского стандарта. Эта чувствительность характеризует способность приемника принять слабый сигнал, который ни в коей мере нельзя рассматривать как музыкальный источник, а только для приема речевых сообщений. Тем более, и это практически никогда не уточняется в технических характеристиках, что это чувствительность при приеме моносигнала. На нашем графике этой чувствительности соответствует значение А. Реально послушать музыку можно только при значительно большем отношении сигнал/шум, и такую чувствительность также приводят (хотя и не все производители, предлагаем вдумчивому читателю решить почему), указывая отдельно ее значения для приема моно- и стереосигнала. Называют ее в англоязычных инструкциях quieting sensitivity или просто sensitivity. Иногда измерения производят при отношении сигнал/шум 46 дБ, иногда - 50 дБ. На графике ее значения для отношения сигнал/шум 50 дБ отмечены для моно- (В) и стереосигнала (С). Обратите внимание на то, что при достижении требуемого отношения сигнал/шум (50 дБ) в случае С еще практически отсутствует стереоразделение. Реально приемное устройство с подобными характеристиками начнет хорошо принимать стереосигнал при уровне на входе более 45 дБф. Качественный прием стереосигнала и представляет всегда наибольший интерес. В лучших моделях тюнеров чувствительность (стерео, отношение сигнал/шум 50 дБ) не бывает больше чем 17 мкВ (36,1 дБф), а в массовых моделях для высококачественного приемника такая чувствительность не должна превышать 28–30 мкВ. Некоторые изготовители, ориентированные на рынок немецкоязычных стран Европы, приводят чувствительность, измеренную по германскому стандарту (DIN), и в силу некоторых отличий условий измерений ее значения в этом случае получаются на 10–15 мкВ больше.

Отношение сигнал/шум

Как уже стало понятно из обсуждения чувствительности, отношение сигнал/шум на выходе радиоприемного устройства зависит от уровня принимаемого сигнала. При малых уровнях шум вообще может подавить сигнал, т.е. стать больше его. Это одна из особенностей приема сигнала с частотной модуляцией. Поэтому в описаниях приводится отношение сигнал/шум (signal to noise ratio) для достаточно сильного сигнала (обычно порядка 65 дБф), когда оно уже достигает своего максимального значения. Для моносигнала оно составляет порядка 70 дБ, для стерео - обычно на 5 дБ меньше. В лучших моделях может достигаться значение этого отношения на 3–5 дБ выше.

Избирательность

При радиоприеме необходимо выделить только требуемый сигнал, а все мешающие подавить. Такими вредными могут быть сигналы соседних радиостанций. Ответственным за прием требуемого сигнала и подавление посторонних в приемнике является усилитель промежуточной частоты (ПЧ), и в современных моделях конкретно за подобную селекцию отвечает керамический фильтр ПЧ. Ни один такой фильтр не является идеальным, то есть таким, который абсолютно без искажения передает все сигналы в полосе пропускания и полностью подавляет помеху за ее пределами. Всегда существует некая область частот на границе (когда больше, когда меньше), в которой уже ослабляются составляющие спектра принимаемого сигнала, но еще недостаточно подавляется помеха. Теоретически спектр ЧМ-сигнала очень широк и общепринятое значение полосы пропускания фильтр ПЧ около 400 кГц является компромиссом между качеством принимаемого сигнала (см. ниже о нелинейных искажениях) и количеством радиостанций, которые могут уместиться в отведенном для радиовещания участке диапазона, не мешая друг другу. Избирательность, значение которой приводится в описании, показывает, насколько ослабляется нежелательный сигнал по отношению к принимаемому. Хорошим считается значение более 50 дБ при частоте мешающего сигнала на 300 кГц меньше и больше частоты полезного сигнала. Иногда, для пущего эффекта, изготовители приводят значение избирательности при расстройке на 400 кГц, и тогда значение получается децибелов на 10 больше.

Нелинейные искажения

Уровень нелинейных искажений в приемнике сигналов с частотной модуляцией зависит не только от схемы выходных низкочастотных каскадов, но и в немалой степени от ширины полосы пропускания по промежуточной частоте. В серьезных приемниках она может быть переменной (чаще всего переключаться) для обеспечения компромисса в случае приема слабого сигнала, между искажениями и приемлемым уровнем шумов. Считается, что для достижения низкого уровня искажений линейный участок характеристики частотного детектора, который осуществляет преобразование ЧМ-сигнала в звуковой, должен быть не менее 1 МГц. Если теперь сравнить это с полосой по ПЧ, то станет понятно, почему уровень КНИ для вполне пристойных по остальным параметрам устройств может достигать 0,8% (в режиме приема стерео). В лучших приемниках значение КНИ не превышает 0,1% для моносигнала и 0,15 для стерео.

Разделение каналов

На страницах журнала мы уже рассказывали о некоторых параметрах, определяющих качество приема стереопередач, но наиболее существенным для правильного воспроизведения стереопанорамы является достижение необходимого разделения каналов. На нашем графике видно, что разделение, как и другие параметры зависит от уровня принимаемого сигнала. Кроме того, оно зависит также и от симметрии частотного тракта ПЧ. Значение в 40 дБ является практически предельным и по представлениям 50-х годов, когда и разрабатывались системы стереовещания, вполне достаточным. Заметим, что даже измерительные стереомодуляторы не обеспечивают большего разделения. Иногда для обеспечения работы стереодекодера при низком отношении сигнал/шум используются специальные схемы как автоматические, так и включаемые вручную, искусственного уменьшения разделения на высоких частотах. Обозначаются такие устройства HIGH BLEND. Это позволяет снизит шумы до приемлемого уровня и относительно немного потерять в стереопанораме.

Другие параметры

Часто в техническом описании приводят значение неравномерности частотной характеристики выходного сигнала в полосе 30 Гц – 15 кГц и подавление по ПЧ. Для современных приемников хорошей можно считать неравномерность ±1 дБ, хотя встречаются модели и с завалом до 3 дБ на краях диапазона. Подавление по промежуточной частоте интересно тем, что возможная помеха на такой частоте наиболее сильно влияет на качество приема. Один пример. Лет двадцать тому назад, еще в Советском Союзе появился в продаже приемник одной известной японской фирмы, выполненный по схеме с двумя промежуточными частотами. Такая схема обеспечивает лучшую избирательность по альтернативным каналам приема. Однако в связи с тем, что первая (высокая) промежуточная частота точно соответствовала частоте, на которой вещала в диапазоне УКВ в Москве радиостанция "Маяк", то он только ее здесь и принимал…

Радиоприемная часть в современной аппаратуре с виду проста до предела: высокочастотный блок да пара микросхем

Все сказанное относится к приему в диапазоне FM (или УКВ). Для диапазонов АМ (средних и длинных волн), вещание в которых можно рассматривать только как информационное, обычно приводятся не больше двух-трех параметров: чувствительность, избирательность и отношение сигнал/шум. Если чувствительность измеряется на зажимах антенного входа, то приводится ее значение в мкВ. Однако чаще, поскольку практически все современные стационарные приемники и тюнеры комплектуются рамочной антенной, указываются значения в мкВ/м (микровольт на метр) именно для нее. Типичным значением является 300 – 400 мкВ/м, а для электрического входа антенны 30–40 мкВ. Избирательность по соседнему каналу (при АМ-вещании это расстройка всего на 9 кГц) редко превышает 30 дБ, а массовые приемники имеют значения на 3-5 дБ меньше. В то же время отношение сигнал/шум достигает вполне приемлемого значения в 50 дБ при уровне сигнала всего 100 мкВ/м.
К сожалению, приходится констатировать, что аналоговые приемники все больше отходят на второй план, а потому и существенно упрощаются. Обычно это отдельная плата в составе ресивера (см. фото), которая содержит радиочастотный входной блок и пару-тройку универсальных микросхем (см. фото). Конечно, и такой набор обеспечивает всю обработку (усиление, детектирование и декодирование) аналогового сигнала, но качество, как мы видим страдает. Наши наблюдения показывают, что с каждым новым поколением AV-ресиверов, производители все меньше и меньше выделяют средств на их приемную часть. Часто новые ресиверы имеют и параметры чуть-чуть похуже и поменьше функций. С другой стороны устройства для приема цифрового радио пока выпускаются в виде отдельных блоков, а для их цифровых выходов в последних моделях многих AV-ресиверов уже предусмотрен дополнительный вход (оптический или коаксиальный) обозначенный как DAB.

Чувствительность усилителя зависит от коэффициента усиления: она теп выше, чем коэффициент больше. Однако чувствительность радиоприемного устройства определяется не только его способностью усиливать принимаемые сигналы. Если бы такое устройство было абсолютно бесшумным, тогда действи­тельно его чувствительность определялась только способностью усиливать при­нятые радиосигналы. Отсоедините антенну от радиоприемника и установите ре­гулятор громкости на максимум: в динамической головке громкоговорителя по­явится звук, напоминающий звук сыплющегося песка или мелкой крупы. Это собственный шум радиоприемника. Он-то и ставит предел реальной чувстви­тельности радиоприемника. Ведь можно услышать только тот принятый сигнал, громкость которого будет не меньше громкости шума. В радиовещании приня­то, что уровень громкости радиопередачи должен превышать уровень шумов-на выходе радиоприемника на 20 дБ (в 10 раз), а в диапазоне УКВ на 26 дБ (в 20 раз).

Основная причина шумов радиоприемного устройства - тепловое хаотич­ное движение электрически заряженных частиц. Резисторы, транзисторы, элек­тронные лампы, колебательные контуры, даже провода, короче говоря, весь ра­диоприемник от антенны до головки громкоговорителя создает шумы. Особен­но опасен шум антенны, входного устройства и первого усилительного каска­да, потому что он усиливается всеми остальными каскадами приемника. Созда­ют шум и индустриальные помехи, имеющие широкий диапазон частот, а по­тому попадающие в полосу пропускания приемника, сигналы мощных радио­станций, а также радиоизлучение солнца и даже Галактики. Все шумы накла­дываются на принимаемый сигнал и снижают реальную чувствительность при­емника. Поэтому чувствительность принято характеризовать наименьшим уров­нем входного сигнала, обеспечивающим на выходе УПЧ заданное соотношение­сигнал-шум. Однако в радиолюбительской практике, а также при измерений параметров радиовещательных приемников чувствительность часто характери­зуют таким наименьшим уровнем сигнала на входе приемника, при котором обеспечивается стандартная выходная мощность приемника 50 мВт при задан­ном соотношении сигнал-шум и максимальном усилении УЗЧ, т. е. учитывает­ся и шум УЗЧ.

В качестве стандартной мощности приняты 50 или 5 мВт - для приемни­ка с максимальной выходной мощностью до 150 мВт. Однако измерять непо­средственно мощность неудобно, поэтому измеряют выходное напряжение. Зная номинальное сопротивление Яном звуковой катушки громкоговорителя (оно ука­зано в технической документации на громкоговоритель), по формуле Uвых = ~~ v PRkom или по графику на рис. 61 можно определить выходное напряже­ние, соответствующее мощности 50 мВт.

Рис. 61. Зависимость выходно­го напряжения от полного соп­ротивления звуковой катушки

Измеряют реальную чувствительность в экранированной камере, исключа­ющей наведение посторонних сигналов на антенный вход приемника. В люби­тельских условиях роль такой камеры в какой-то степени может играть ком­ната в современном панельном доме, стены которого пронизаны металлической арматурой. На вход радиоприемника от ГСС через согласующее устройство по­дают высокочастотный сигнал. При этом качество согласования выхода гене­ратора со входом приемника играет решающую роль. (Схемы эквивалентов ан­тенны показаны на рис. 57.) Выходное сопротивление генератора ГСС-6 (Г4-1) при использовании внешнего делителя равно внутреннему сопротивлению это­го делителя: на зажиме «10» - 80 Ом, на зажиме «1» - 8Ом, на зажиме «0,1» - 0,8 Ом. При соединении эквивалента антенны с зажимом «10» внешнего дели­теля резистор R 3 может отсутствовать; то же будет и при присоединении эквивалента антенны непосредственно к выходному гнезду генератора ГСС-6 (без­выносного делителя). При подключении эквивалента к зажиму «1» внешнего делителя сопротивление резистора R 3 должно составлять 80 - 8=72 Ом, при подключении к зажиму «0,1» 80 - 0,8 = 79,2 Ом. При измерении чувствитель­ности в УКВ диапазоне выходное сопротивление ГСС обычно равно 75 Ом, поэтому надо пользоваться эквивалентом антенны, схема которого показана на рис. 57,г (без дополнительных сопротивлений). При использовании генератора поля (см. рис. 58) рамку надо присоединять к вы­ходному гнезду генератора, а не к вынос­ному делителю. Эквивалент антенны дол­жен быть тщательно экранирован, нахо­диться непосредственно у антенного ввода радиоприемника и подключаться к нему стандартным разъемом. Экран эквивалента соединяют с зажимом «Земля» приемника проводником длиной 10 - 20 мм, а выносной делитель генератора подключают к экви­валенту короткими проводниками. Только при соблюдении таких условий можно из­мерить чувствительность приемника с до­статочной точностью.

К звуковой катушке головки громкоговорителя или ее эквиваленту под­ключают индикатор выхода, а лучше - электронный вольтметр, реагирующий на среднеквадратичное значение переменного напряжения. При измерении на­пряжения шумов, форма сигнала которых хаотична, градуировка вольтметра, реагирующего на амплитудное или средневыпрямленное напряжение, будет не­верна. Но можно обойтись и обычным вольтметром, так как погрешность из­мерения чувствительности зависит главным образом от точности определения выходного напряжения ГСС, которая редко бывает лучше 10%.

Измерения производят в трех точках диапазона: на краях и в середине. Приемник настраивают на нужную частоту, а регулятор громкости - на мак­симум (регулятор полосы пропускания УПЧ устанавливают в положение на­иболее широкой полосы; это же относится и к регуляторам тембра). В ГСС включают AM частотой 1000 Гц и глубиной 30%. Настраивают ГСС на часто­ту радиоприемника по максимальному отклонению стрелки индикатора выхода. Затем регулируют уровень выходного напряжения ГСС таким образом, чтобы индикатор выхода зафиксировал напряжение, соответствующее стандартной вы­ходной мощности. Чувствительность приемника будет равна выходному напря­жению ГСС (в микровольтах), снятому по шкале аттенюатора.

Далее выясняют, реальная ли это чувствительность, т. е. соответствует ли она заданному соотношению сигнал-шум. Ведь индикатор выхода измеряет ре­зультирующее напряжение, складывающееся из напряжений сигнала U e , шумов U m и внешних помех U п. Чтобы измерить эти составляющие, модуляцию ГСС выключают. Показания индикатора выхода при этом заметно уменьшатся и будут соответствовать значению (U 2 m + U 2 n ) -2 , так как в это время напряжение звуковой частоты на нагрузке детектора приемника от сигнала ГСС отсутствует. Затем измеряют напряжение собственных шумов приемника, для чего за­мыкают накоротко антенный вход приемника. Теперь внешние помехи уже не попадают в приемник, и показания индикатора выхода определяются только внутренними шумами. Вычисляют отношение (U 2 m + U 2 u / U m ) -2 . Если оно хотя бы в 4 раза меньше требуемого отношения сигнал-шум, то действием внешней помехи U n пренебрегают и полученное ранее значение чувствительности явля­ется реальной чувствительностью приемника. Если же это отношение более задан­ного, то это означает, что шумы приемника надо уменьшить. Для этого умень­шают усиление приемника, например, регулятором УЗЧ, замыкают антенный вход приемника и измеряют напряжение U m внутренних шумов. Затем не из­меняя положения регулятора громкости приемника, размыкают антенный вход, включают в ГСС модуляцию и регулируют его выходное напряжение до тех пор, пока индикатор выхода приемника отметит напряжение, соответствующее стан­дартной выходной мощности 50 мВт. Определяют новое отношение U e ! U m или выражение с учетом напряжения помех U n – Если оно соответствует задан­ному значению, то получается значение реальной чувствительности приемника. Если оно опять хуже заданного, то снова уменьшают усиление приемника и т. д.

При измерении чувствительности УКВ радиовещательных приемников с ЧМ ТСС должен обеспечивать следующие параметры ЧМ: частота модуляции 1000 Гц, девиация частоты (полоса качания) 15 кГц.

Какой же чувствительностью должен обладать радиоприемник? Это зависит -от его назначения и класса. Приемники, предназначенные для любительской KB радиосвязи, имеют очень высокую чувствительность (около 1 - 3 мкВ). Это предельная чувствительность приемника, работающего с обычной антенной, так как слишком велики воспринимаемые ею внешние помехи. Чувствительность радиовещательных приемников высшего класса в диапазонах ДВ, СВ и KB 50 мкВ, а для более низких классов 200 - 300 мкВ. Если прием ведется на внутреннюю магнитную антенну, то чувствительность приемника должна на­ходиться в пределах 1 - 3 мВ/м. Чувствительность радиовещательных прием­ников в УКВ диапазоне составляет 10 - 30 мкВ, а у радиовещательных при­емников высшего класса даже 5 мкВ.

Отметим, что чаще всего измерения дают завышенный результат, т. е. действительная чувствительность приемника хуже, чем показывают приборы. Ос­новной источник погрешности измерений, особенно у чувствительных приемни­ков, проникновение сигнала на вход приемника помимо эквивалента антен­ны. И еще одно замечание: если измерение чувствительности дает весьма низ­кий результат, к тому же обнаружена большая неравномерность чувствитель­ности по диапазону, а предварительные измерения коэффициентов усиления от­дельных блоков приемника показали нормальную работу, то причиной низкой чувствительности супергетеродинного приемника будет скорее всего плохое со­пряжение настроек входных и гетеродинных контуров.

Одним из важнейших показателей качества тракта приема является чувствительность приемника. Чувствительность приемника характеризует способность приемника принимать слабые сигналы. Чувствительность приемника определяется как минимальный уровень входного сигнала устройства, необходимый для обеспечения требуемого качества полученной информации. Если чувствительность приемника ограничивается внутренними шумами, то ее можно оценить реальной или предельной чувствительностью приемника, коэффициентом шума или шумовой температурой.

Чувствительность приемника с небольшим усилением, на выходе которого шумы практически отсутствуют, определяется э.д.с, (или номинальной мощностью) сигнала в антенне (или ее эквиваленте), при которой обеспечивается заданное напряжение (мощность) сигнала на выходе приемника.

Чувствительность приемника определяется коэффициентом его усиления К УС. Приемник должен обеспечивать усиление даже самых слабых входных сигналов до выходного уровня, необходимого для нормального функционирования устройства, однако, на входе приемника действуют помехи и шумы, которые также усиливаются в приемнике и могут ухудшать качество его функционирования. Кроме того, на выходе приемника появляются его усиленные внутренние шумы. Чем меньше внутренние шумы, тем лучше качество приемника, тем выше чувствительность приемника.

Реальная чувствительностьприемника равна э.д.с. (или номинальной мощности) сигнала в антенне, при которой напряжение (мощность) сигнала на выходе приемника превышает напряжение (мощность) помех в заданное число раз. Предельная чувствительность приемника равна э.д.с. или номинальной мощности Р АП сигнала в антенне, при которой на выходе его линейной части (т. е. на входе детектора), мощность сигнала равна мощности внутреннего шума.

Предельную чувствительность приемника можно также характеризовать коэффициентом шума N 0 , равным отношению мощности шумов, создаваемых на выходе линейной части приемника эквивалентом антенны (при комнатной температуре T 0 = 300 К) и линейной частью, к мощности шумов, создаваемых только эквивалентом антенны. Очевидно,

где k = 1,38∙10 –23 Дж/град - постоянная Больцмана;

П ш - шумовая полоса линейной части приемника, Гц;

Р АП - мощность сигнала, Вт.

Из (3.19) видно, что мощность сигнала, соответствующую его предельной чувствительности и отнесенную к единице полосы частот, можно выразить в единицах kT 0:

Предельную чувствительность приемника можно также характеризовать шумовой температурой приемника Т пр, на которую надо дополнительно нагреть эквивалент антенны, чтобы на выходе линейной части приемника мощность создаваемых им шумов равнялась мощности шумов линейной части. Очевидно,

откуда (3.21)

На реальную антенну воздействуют внешние шумы, номинальная мощность которых

где Т A - шумовая температура антенны. Таким образом реальная чувствительность приемника:

Предельная чувствительность при

Рисунок 3.13–График зависимости относительной шумовой температуры антенны от частоты

По рисунку 3.13 видим, что на высокой частоте коэффициент относительной шумовой температуры антенны уменьшается и остается неизменной, а также ее роль влияния на чувствительность приемника уменьшается.

Использование пакета MultiSimдля расчета шумов схемы: коэффициент шума в зависимости от частоты по формуле (inoise^2/(4*k*T*Rг)).Где выходной шум (onoise), пересчитанный на вход (inoise = onoise/K(f), где K(f) - коэффициент передачи четырехполюсника) дальше это делится на спектральную плотность мощности входного шума, которую можно рассчитать исходя из выходного сопротивления генератора Rг.

В мультисиме для этого необходимо использовать постобработку результатов моделирования шумов. В постпроцессоре добавляется обработка результатов моделирования шумов по формуле (db((inoise_spectrum)/4/1.38e-23/300/50)/2)

НЧ область очень похожа на фликкер- шум транзистора.

Чтобы получить график с коэффициентом шума, необходимо сначала запустить: Моделирование – Вид анализа – Шумов.

Моделирование – Постпроцессор – Вкладка (Графопостроитель) – Кнопка (Расчитать).

Результат моделирования приведен в виде рисунка 3.13.

Рисунок 3.14– Результат расчета внутреннего шума приемника

С помощью пакета MultiSimоценим коэффициент шума входного каскада РПрУ, предусмотренного ТЗ на курсовой проект. Оценим чувствительность устройства.

Решение: дадим определение чувствительности, это – способность радиоприёмника принимать слабые по интенсивности радиосигналы и количественный критерий этой способности.

Формула для оценкичувствительности,

где - постоянная Больцмана,- абсолютная температура (К),-шумовая полоса частот приемника,дБ - коэффициент шума РПрУ, дБ,- относительная шумовая температура антенны на частоте сигнала.

Определим относительную шумовую температуру антенны на частоте f=17,6375MГц по формуле:

где значения в МГц.

Подставив числовые значения получим:

Теперь можем определить и чувствительность приемника:

Сделаем вывод, коэффициент шума приемника по результатам расчета оказалась больше, чем значения внешних шумов. Это так, потому что коэффициент шума приемника зависит от частоты. Чувствительность в большей мере, зависит от внутреннего шума приемника.

Чувствительность приемника характеризует его способность принимать слабые сигналы. Количественно чувствительность оце­нивают минимальной ЭДС модулированного сигнала в экви­валенте приемной антенны или минимальной напряженностью по­ля; минимальной мощностью сигнала на входе приемни­ка. Первый случай характерен для приемников НЧ-ОВЧ, работа­ющих с открытой антенной: минимальная напряженность поля используется для оценки чувстви­тельности при применении магнитных и штыревых антенн; второй случай характерен преимущественно для приемников УВЧ и СВЧ.

Различают:

1) Чувствительность, ограниченное усилением.

Характерна для приемников, принимающих достаточно сильные сигналы, когда помехи слабо влияют на прием. Она определяется при заданной выходной мощности. Для приемников аналоговых сигналов различают номинальную и нормальную выходные мощности.

Номинальная мощность - максимальная выходная мощность, соответствующая 100 процентной глубине модуляции входного сигнала при коэффициенте нелинейных искажений меньше заданной нормы.

Нормальная мощность соответствует 30 процентной глубине модуляции и составляет 10 процентов от номинальной. В этом заключается проблема АМ видов модуляции.

2) Реальная чувствительность.

Учитывает влияние собственных его шумов и определяется минимальным уровнем сигнала на входе приемника при заданном превышении его над шумами на выходе приемника.

h-отношение сигнал/шум в выходном сигнале.

Чувствительность приемника зависит от его коэффициента усиления К, уровня собственных шумов , приведенных ко входу антенны, и требуемого превышения h 2 B ых­. Рассмотрим влияние этих факторов на чувствительность прием­ника AM сигналов, подключенного к эквиваленту открытой ан­тенны. Коэффициент усиления приемника:

K=U с вых /mU А C ,

где m - коэффициент модуляции сигнала; U А C - эффективное напряжение несущей частоты сигнала в эквиваленте антенны. Чувствительность, ограниченная усилением, с ростом К повышается.

Для определения реальной чувствительности необхо­димо определить, как влияет К на уровень шумов на выходе. Реальный шумящий приемник заменим нешумящим прием­ником с генератором собственных шумов U ш.пр, приведенных к его входу, который вместе с генератором шумов эквивалента антен­ны U ш э.А образует генератор суммарного шумового напряжения U ш.А.∑ ,приведенного к эквиваленту антенны с эффективным напряжением в полосе пропускания приемника.

U ш.э.А =

Если U ш.вых =К U ш.А.∑ , то U А0/ U ш.А.∑ = U С вых/ m U ш.вых. При заданном h вых =(U с /U ш) вых в эквиваленте антенны необходимо обеспечить превышение сигнала h A =U A 0 / U ш.А.∑ . Отсюда реальная чувствительность U A 0 P ≥h A U ш.А.∑ .

Реальная чувствительность не зависит от K и определяется собственными шумами приёмника.

3) Пороговая чувствительность . Определяется уровнем входного сигнала при n 2 =1

Факторы, влияющие на чувствительность:

1) Коэффициент усиления аналоговой части К ус

2) Суммарное напряжение шума антенны U m A ∑

3) h 2 вых допустимое соотношение сигнал/шум.

Рассмотрим их влияние на чувствительность АМ приемника:

U вых = К ус *m*U ∆ c

Рассмотрим модель приемника с шумами:

U ш. пр.

Нешумящий приёмник

Z A

U МА

U СА

U вых

U

U ША∑ =

U Швых = К ус* U ША∑ следовательно:

U реальной чувствительности =h A * U ША∑

Лекция 6.

Тепловые шумы

Любая цепь, имеющая омическое сопротивление является источником теплового шума. Это обусловлено увеличением количества носителей зарядов (электронов).

– шумовой поток

Сопротивление,

B-постоянная Больцмана,

T-температура в Кельвинах,

П-полоса в Гц

Шумы связаны только с активным сопротивлением, так как связаны с тепловыми флуктуациями электронов.

Единица измерения мощности в радиотехнических системах:

dBm-1 дб/1 мВт на нагрузке R=50 Ом

абсолютный уровень шума в 50 Омных системах равен -174 dBm/Гц.

Рассмотрим резонансный контур:

При комнатной температуре напряжение можно посчитать с помощью эмпирической формулы:

в этой формуле:

Шумовая температура.

Роль тепловых шумов в антенне не значительна. В основном источником шума в ней являются внешние источники ЭМ излучений. Вклад внешних источников шума в антенну оценивается как:

A -шумовая температура антенны - это температура, до которой нужно нагреть эквивалент антенны с сопротивлением R A чтобы его уровень тепловых шумов равнялся уровню шумов, измеренных со входа антенны. Т А позволяет сравнивать антенны. Источником шума в приемнике помимо активных сопротивлений являются транзисторы. Они характеризуются шумовым сопротивлением:

Для полевых транзисторов составляет десятки Ом.

Т ш =(Ш-1)Т,

Шумовая температура характеризует собственные шумы четырехполюсника, пересчитанные ко входу. Эта величина является тепловым эквивалентом собственных шумов четырехполюсника и показывает, на сколько градусов должен быть нагрет эквивалент антенны, чтобы вызванные им шумы на выходе равнялись собственным шумам. Понятие шумовой температуры удобно применять к малошумящим усилителям, коэффициент шума которых близок к 1. Например, при Ш=1.1 имеем Т э 30К. Шумовая температура многокаскадного устройства:

Коэффициент шума и шумовая температура устройства определяются свойствами главным образом первых четырехполюсников. Влияние последующих каскадов тем меньше, чем больше усиление по мощности предшествующих. Чтобы коэффициент шума был мал, необходимо первые каскады выполнять малошумящими и с большими коэффициентами передачи по мощности.

Полевой транзистор.

=(0.6…0.75)/s

S - крутизна управляемой характеристики.

Любой источник сигнала является источником шума. Мощность сигнала, который отдает источник в согласованную нагрузку называют номинальной(макс) .

Номинальная мощность шумов источника не зависит от сопротивления источника. Для оценки шумовых свойств источника используют отношение средней мощности сигнала к средней мощности шумов. При прохождении сигнала через четырехполюсник отношение сигнал/шум изменяется (уменьшается) в следствие добавления к шумам источника сигнала собственных шумов четырехполюсника.

Шумовые свойства в четырехполюснике описывает коэффициент шума , который показывает во сколько раз уменьшается отношение сигнал/шум на выходе по сравнению с отношением сигнал/шум на входе.

Ш-коэффициент шума. Является отношением

К р -коэффициент передачи

1) для идеального нешумящего четырехполюсника Ш=1.Для шумящего Ш>1.

2) Характеристику коэффициента шума можно использовать только для нелинейных устройств.

3) Для пассивных четырехполюсников, при согласовании их с источником сигнала коэффициент шума Ш=1/К р.

Пример:

K p

50 Ом

Найти спектральную плотность мощности на выходе четырехполюсника.

Для удобства оценки вклада шума каждого каскада приёмника в уровень шума на входе, все шумы относят ко входу приёмника, считая, что сам приёмник не шумит, а лишь усиливает шумы.

Лекция 7.

Шумовая чувствительность радиоприемного устройства (чувствительность, ограниченная внутренними шумами) – величина, характеризующаяся минимальной необходимой мощностью сигнала в антенне, при которой на выходе линейного тракта обеспечивается заданное отношение сигнал/шум. Линейный тракт ПРМ заканчивается перед демодулятором.

Понятием коэффициент шума можно пользоваться лишь для линейного устройства; в приемнике- это тракт до детектора. Коэффициент шума пассивного четырехполюсника (например антенного фидера) при согласовании его с источником сигнала и нагрузкой определяется коэффициентом передачи по мощности

Ш=1/К р - коэффициент шума

При потерях в пассивной цепи К р <1, Ш>1

Для сравнения шумов с сигналом на выходе удобно относить все шумы ко входу, полагая, что сам приемник не шумит, а лишь усиливает входные шумы.

Найдем коэффициент шума линейного тракта из последовательно соединенных четырехполюсников, каждый из которых характеризуется коэффициентом передачи по мощности К р i и коэффициентом шума Ш i . Предположим, что коэффициент рассогласования η 1 , η 2, … η n на стыках четырехполюсников известны

Мощность шумов первого четырехполюсника на выходе:

Шумы каждого последовательного четырехполюсника усиливаются всеми каскадами, кроме предыдущих. В конечном итоге получим:

K p прм.

Z A

Е A

Z н

t А - относительная шумовая температура




.

- выражение для расчета чувствительности приемника по известному коэффициенту шума ПРМ, полосе приема, П, волновому сопротивлению антенного входа r a , относительной шумовой температура антенны t A .

Задача: найти чувствительность 50 Омного приемника с полосой пропускания 20 кГц, отношение сигнал/шум на выходе - 4 раза(по напряжению), коэффициент шума равен 4, T=300K, 4kT=1.6*10 20.

Ответ: e=0.5 мкВ

113 dBm-0.5 мкВ àх=20lg =-113 dBm