Измерение чувствительности приемника. Практическое использование специальных шкал децибел при проверке чувствительности радиоприемников Предельная чувствительность приемника

Под чувствительностью понимается способность радиоприемного устройства принимать слабые сигналы. Она определяется минимальной величиной входного сигнала, которая обеспечивает нормальное функционирование исполнительного устройства при заданном превышении сигнала над помехой. Если чувствительность приемника ограничивается собственными шумами, ее можно оценить реальной или предельной чувствительностью, коэффициентом шума и шумовой температурой. Реальная чувствительность равна величине э.д.с. (номинальной мощности) сигнала в антенне, при которой напряжение (мощность) сигнала на выходе приемника превышает напряжение (мощность) помех в заданное число раз. Если мощность сигнала равна мощности помех на выходе линейной части приемника – предельная чувствительность .

Чувствительность радиоприемного устройства определяется уровнем внутренних и внешних шумов и помех э.д.с., приведенных к его входу, величина которых составляет

где – э.д.с. шумов и помех, обусловленных их влиянием извне на характеристики радиоприемного устройства;

– э.д.с. собственных шумов и помех, приведенных к входу радиоприемного устройства.

Влияние внешних шумов на чувствительность радиоприемного устройства в диапазоне частот различное и зависит от причин их возникновения. В диапазоне рабочих частот до 100 МГц наибольшее влияние оказывает средний уровень промышленных помех в городе (рис. 1.7). В данном диапазоне также большое влияние оказывают помехи, обусловленные атмосферными, грозовыми и космическими явлениями. Суммарное значение э.д.с. помех, наводимых в антенне, определяется выражением

где – отдельные источники э.д.с. помех.

Суммарное значение э.д.с. помех может быть определено по данным (рис. 1.7), где представлены их частотные зависимости в эффективной шумовой полосе частот, равной 1 кГц.

Уровень внешних помех, наводимых в согласованной антенне, определяется выражением

где – суммарное значение помех, наводимых в антенне в мкВ/м;

– действующая высота антенны в метрах;

– шумовая полоса радиоприемного устройства в кГц.

В диапазоне частот свыше 100 МГц основным видом помех являются внутренние шумы радиоприемного устройства и шумы антенны. Шумы антенны обусловлены приемом шумовых излучений космического пространства, атмосферы земли и ее поверхности, а также тепловым шумом сопротивления потерь r п антенны. В инженерной практике за шум антенны принимают э.д.с., наводимую в полном сопротивлении антенны R А нагретого до величины, называемой эффективной шумовой температурой антенны T А. Эквивалентная схема настроенной антенны с учетом наводимых шумов и помех представлена на рисунке (рис. 1.8).

Рис. 1.8 - Эквивалентная схема настроенной антенны

Величина уровня шума в антенне определяется формулой Найквиста

где k – постоянная Больцмана равная 1.38×10 - 23 Дж/град;

П Ш – шумовая полоса радиоприемного устройства;

T А – абсолютная температура антенны в К 0 .

Величина температуры T А зависит от формы диаграммы направленности антенны, от характера шумовых источников, действующих в зоне радиоприема, от диапазона рабочих частот (рис. 1.9) и т.д.

Рис. 1.9 - Зависимость шумовой температуры приемной антенны от частоты (1 – максимальная; 2 – минимальная)

Мощность шума антенны, поступающего на согласованный вход радиоприемного устройства, определяется величиной (1.14) и равна

Для оценки предельной чувствительности и шумовых свойств радиоприемного устройства используется понятие коэффициента шума N , определяемого как степень уменьшения отношения сигнал/шум на выходе линейного тракта по сравнению с этим соотношением на его входе при стандартных условиях измерения.

где – мощность сигнала на входе;

– рассеиваемая мощность, обусловленная тепловым шумом сопротивления эквивалентного генератора при T 0 = 290 K 0 ;

– мощность шума на выходе линейного тракта при определении коэффициента шума;

– мощность сигнала на выходе линейного тракта радиоприемного тракта.

Под линейным трактом понимаются все каскады приемного радиочастотного тракта до детектора.

Чувствительность приемного устройства в диапазоне метровых и менее длин волн в режиме согласования при заданном отношении сигнал/шум на выходе линейного тракта определяется выражением:

где – относительная шумовая температура антенны;

Т 0 – стандартная температура(290 К);

– коэффициент шума приемника (1.16);

– коэффициент различимости на выходе линейного тракта приемника.

В единицах напряжения:

где r А – сопротивление антенны (эквивалента антенны).

При определении требований к приемному устройству по шумовым свойствам на практике определяют допустимым коэффициентом шума .

В диапазоне ДВ, СВ и КВ, если задана э.д.с., наведенная в антенне:

Если чувствительность определяется напряженностью поля сигнала

Для диапазонов метрового и менее длин волн:

где K рф – коэффициент передачи мощности фидерной линии (волновода).

Исходя из анализа предыдущих выражений, можно сделать следующие выводы:

1. Если уровень помех в антенне больше уровня шумов приемника, то требования к шумовым параметрам приемника не предъявляются.

2. В диапазоне частот более 100 МГц необходимо принять меры к уменьшению коэффициенту шума приемника, полосе пропускания и т.д.

3. На частотах более 1 ГГц уровнем внешних шумов можно пренебречь.

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.

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.

УДК 621.396.62.089.52 C.B. Мелихов, В.А. Кологривов

Оценка чувствительности радиоприемников с настроенными антеннами

Получены выражения для оценки чувствительности радиоприемников с настроенными антеннами при учете собственных и внешних шумов, характеризуемых коэффициентами шума

Введение

В современных литературных источниках внешние для радиоприемника шумы характеризуют зависящими от частоты коэффициентами шума . Однако расчетные соотношения для оценки чувствительности приемников с учетом собственных и внешних шумов или не приводятся , или ошибочны .

Целью данной работы является вывод расчетных соотношений для оценки чувствительности радиоприемников с настроенными антеннами с учетом собственных и внешних шумов, характеризуемых коэффициентами шума.

1. Оценка чувствительности приемника при аналоговой связи

Чувствительность приемника характеризует его возможность принимать слабые радиосигналы.

Реальная чувствительность приемника при аналоговой связи - это минимально допустимое значение мощности радиосигнала на входе приемника Рс вх0 (либо минимально допустимое эффективное значение ЭДС радиосигнала в антенне Ес, либо минимально допустимое эффективное значение напряженности электромагнитного поля радиосигнала в точке приема ес), при котором на выходе приемника в исполнительном устройстве (ИУ) обеспечивается заданное отношение средней мощности сигнала S к средней мощности шума N (Увых = S/N = = SNR, SNR - Signal to Noise Ratio) .

Параметр SNR характеризует качество приема при аналоговой связи. При малых потерях в фидере, подводящим сигнал от антенны ко входу радиотракта (РТ) приемника (ко входной цепи), или при отсутствии фидера (когда согласованная антенна подключается непосредственно ко входу приемника, имеющему в режиме согласования входное сопротивление Двх) значения ес, Ес, Рсвх0 связаны между собой следующим образом:

Если приемники имеют настроенные антенны, что характерно, например, для приемников мобильных систем связи, то их чувствительность оценивают параметром Рс вх0 .

Реальная чувствительность Рс вх0 зависит от уровня собственных шумов приемника; от уровня внешних шумов (помех); от величины потерь в фидере приемника; от полосы пропускания РТ приемника, от величины увых. Заметим, что коэффициент усиления приемника должен быть достаточным для того, чтобы увеличить принятую мощность Рс вх0 до величины, при которой нормально работает ИУ приемника.

При выводе формулы для оценки чувствительности приемника удобно привести мощность полезного сигнала и все шумовые мощности к выходу РТ (к точке «а», рис. 1).

Поскольку отношение сигнал/шум на выходе детектора Увыхд = УВЬ1Х (УНЧ практически не ухудшает отношение сигнал/шум), то значение увыхРТ = УВхД можно найти для диодного амплитудного детектора (АД) и диодного частотного детектора (ЧД), используя следующие формулы, определяющие изменение отношения сигнал /шум при детектировании :

где тср =0,3 - средняя величина индекса модуляции AM сигнала; Мчм = /д max / Fa -

индекс частотной модуляции.

Уъъа. РТ - Уъу. . Д

Рис. 1 - Структурная схема приемника

При гетеродинном (синхронном или асинхронном) детектировании (ГД)

УвхГД = УвыхГД (4)

Собственные шумы радиотракта (РТ) приемника характеризуют коэффициентом шума Nuр. Мощность шумов РТ, приведенная к выходу РТ (к точке «а», см. рис. 1) :

^шРТ = ^РТ^шО^пр ~ !) . (5)

где кРТ - коэффициент усиления по мощности РТ приемника; Рш0 = кТ0Вш - номинальная мощность теплового шума (мощность, поступающая от шумящего сопротивления Нш в согласованную нагрузку R = Дш; величина Рт0 не зависит от Дш); k = 1,38 Ю-23 Дж/К - постоянная Больцмана; Г0 = 290К (считается, что комнатная температура 17 °С); Вт =1,1Вду - шумовая полоса приемника, Гц; BRF - полоса пропускания приемника для сигнала на радиочастоте (Radio Friqency).

Коэффициент шума фидера как пассивного устройства (при согласовании его входа с антенной, а выхода - со входом РТ) равен его потерям Ыф = т]л = 1/Аф, где k0 - коэффициент передачи фидера по мощности. Тогда мощность собственных шумов фидера, приведенная к выходу РТ:

РщФ ~ ^РТ^Ф-^шО^П _ кргркфРш0

Мощность внешних шумов, приведенная к выходу РТ при условии пренебрежения шумами от сопротивления потерь антенны (Дпот = 0):

= /грТйфРш0 -- = (гр^кф Рш0 (ЛГ2 - 1),

где = (гатм + Гпром + ггал + ^зем) - суммарная температура внешнего шума; Татм - температура атмосферного шума; Т^^ - температура промышленного шума; Тгал - температура галактического шума; Тзем - температура теплового шума Земли (для слабо направленной

приемной антенны принимают 71зем ~Т0 = 2,9 102К);

1 + ХГ|/Г0- (8)

результирующий коэффициент внешнего шума.

Атмосферные (грозовые) и промышленные помехи носят импульсный характер, а интенсивность их спектральных составляющих имеет падающий характер с повышением частоты (рис. 2). Однако в пределах полосы приемника интенсивность спектральных составляющих импульсных помех можно считать постоянной. Поэтому импульсные атмосферные (грозовые) и промышленные помехи называют атмосферными и промышленными шумами.

Рис. 2 - Приблизительные зависимости коэффициентов внешнего шума или температур внешнего шума Т(= Тп(Ы1 - 1) от частоты для слабонаправленной приемной антенны: 1 - атмосферный шум днем; 2 - атмосферный шум ночью; 3 - промышленный шум в особо тихих местах; 4 - промышленный шум в малом городе; 5 - промышленный шум в большом городе; 6 - галактический шум; 7 - шум Земли

Интенсивность внешних шумов от различных источников, принимаемых слабонаправленной антенной, можно характеризовать температурами внешнего шума (Т¡) или коэффициентами внешнего шума (ЛГ4) (см. рис. 2). Удобнее при расчетах пользоваться величинами

коэффициентов шума, выраженными в децибелах: [дБ] = 101ё(1 + Тг/Т0) .

При наличии внешних шумов от различных источников необходимо для определенной радиочастоты f оценить результирующий коэффициент внешнего шума Л^ с использованием зависимостей, изображенных на рис. 2. Для этого преобразуем выражение (8) следующим образом:

" атм + пром гал + _

коэффициент атмосферного шума, дБ; Л"щ^ - коэффициент промышленного

шума, дБ; ЛГгал - коэффициент галактического шума, дБ; АГзем - коэффициент шума Земли, дБ; в - число слагаемых, учитываемых в квадратных скобках формулы (9). Полная мощность шума на выходе РТ приемника с учетом выражений (5)-(7):

-^ш.выхРТ - -РшРТ + ^шФ + ^ш.внеш - ^Г^ф-^шО

Мощность сигнала на выходе РТ, соответствующая реальной чувствительности Рс вх0:

сРТ - ^РТ^Ф^с.вхО

Поскольку

УвыхРТ=р-, (12)

то из уравнений (10)-(12) следует, что реальная чувствительность приемника с согласованной антенной:

с.вхО _ УвыхРТ-^шо

где на основе выражения (9) с учетом того, что Ызек =(1 + Т0/Т0) = 2 (или Язем = 3 дБ, см. рис. 2)

Ю0-1*.™ +1о°-ш-р«» +юол^« +10одз

100,1N„„ +1()0,Шпроы А1П0,Ш„

Если частота радиосвязи / >~ 520 МГц, уровни внешних атмосферных, промышленных (даже в большом городе) и галактических шумов пренебрежимо малы. При этом 7Уатм = = ^пром = ^гал = 0 дБ (см. рис. 2), следовательно, = - (4 -1) = 2Узем = 2 . Такой же величине коэффициента внешнего шума соответствует случай, когда приемник находится далеко от источников промышленных шумов (в сельской местности), а />- 250 МГц. В этих случаях выражение для оценки реальной чувствительности приемника упрощается и имеет вид

^с.вхО Увых РтАпо

2. Оценка чувствительности приемника при цифровой связи

При цифровой связи качество приема оценивают вероятностью битовой ошибки, которую еще называют частотой появления битовой ошибки (BER - Bit Error Rate). Параметр BER для различных видов цифровой манипуляции однозначно связан с нормированным отношением качества для цифровой связи Eb/N0 где Еь - энергия сигнала на 1 бит; N0 - спектральная плотность мощности аддитивного белого гауссовского шума в полосе 1 Гц, а отношение Eb/N„ также однозначно связано с отношением средней мощности сигнала к средней мощности шума на выходе РТ приемника увьпсРТ = (S / N)BbIX РТ = (S7Vi?)RbIX ^ .

Поэтому чувствительность приемника при цифровой связи оценивается по формуле (13) или (15) после того, как определена необходимая величина увыхРТ из требуемой величины параметра BER.

Таким образом, в данной работе получены расчетные соотношения для оценки чувствительности радиоприемников с настроенными антеннами с учетом собственных и внешних шумов, характеризуемых коэффициентами шума.

Содержание

Чувствительность приемного устройства - это один из самых главных параметров, определяющих потенциальные возможности всей радиостанции в целом. Поэтому представляют большой интерес объективные методы определения и сравнения чувствительности различных приемников.

Самый доступный, а поэтому и самый распространенный способ определения качества приемника - это прослушивание сигналов в эфире. Очевидно, что точность подобных оценок крайне мала, так как уровень сигнала удаленной радиостанции может изменяться в десятки и даже в сотни раз. В случае, если надо сравнить два приемника или подстроить приемник по наилучшему отношению сигнал/шум, удобнее пользоваться источником сигнала, расположенным в пределах прямой видимости. В этом случае можно пренебречь зависимостью сигнала от условий прохождения радиоволны. Подобный маяк можно изготовить самому и расположить его на крыше ближайшего дома, на расстоянии 100-500 м от радиостанции. Мощность маяка должна быть такой, чтобы сигнал от него только в несколько раз превышал уровень шумов приемника. Тогда путем вращения антенны можно всегда подобрать необходимый уровень сигнала. Кроме того, такой источник полезен для постоянного контроля состояния не только приемника, но и антенно-фидерной системы. По маяку также можно проверить, не сбилась ли градуировка указателя поворота антенны, и оценить общую помеховую обстановку в эфире. В силу того, что требуемая мощность маяка очень мала (доли микроватта), его можно сделать достаточно экономичным и в течение длительного времени питать от сухих батарей.

Один из возможных вариантов подобного генератора показан на рис. 29. Генератор выполнен на полевом транзисторе и предназначен для диапазона 144-146 МГц. Вместо кварцевого резонатора на частоту 12 МГц можно также применить резонаторы на любую субгармонику частоты 144 МГц. При этом может потребоваться некоторая коррекция емкости конденсаторов С1 и С2. Конструкция полосового фильтра L1 С4-L2 С6 такая же, как в трансвертере 144/21 МГц. Регулировка сводится к подбору режима с помощью резистора R2 и настройке полосового фильтра по максимуму сигнала. Генератор следует поместить в небольшую, герметически закрываемую или запаиваемую коробочку, снабженную дипольной антенной. Одна половина диполя присоединяется к проходному изолятору, а вторая - к корпусу генератора.

Уровень сигнала надо подбирать перепайкой отводов на линиях L1 и L2 и уменьшением размера антенны. Генератор потребляет ток не более 0,3 мА, поэтому двух батареек от карманного фонаря хватает для непрерывной работы в течение 3 мес. и более.

(рис. 30 - щелкните мышью для получения большого изображения)

На рис. 30 показан генератор для диапазона 430-440 МГц. Схема генератора аналогична схемам, примененным в гетеродинах трансвертеров. Поэтому можно воспользоваться описанной ранее методикой настройки. Генератор работает на третьей механической гармонике

кварцевого резонатора Пэ1. Сигнал с частотой 432 МГц выделяется с помощью полосового фильтра, конструкция которого взята из трансвертера 432/21 МГц. Аналогично может быть изготовлен генератор для диапазона 1296 МГц. Для этого надо использовать соответствующий выходной фильтр и применить более высокочастотный транзистор. Применение подобных вспомогательных источников сигнала позволяет достаточно объективно сравнить чувствительность двух приемников, однако в конечном счете каждого радиолюбителя интересует не относительная, а абсолютная оценка качества имеющегося приемника. Как уже указывалось, наиболее универсальным параметром, позволяющим характеризовать чувствительность приемника, является коэффициент шума. Для измерения коэффициента шума необходимо иметь калиброванный источник шумового сигнала. В качестве такого источника нашел широкое применение ламповый диод, работающий в режиме насыщения анодного тока.

Промышленностью выпускается специальный диод типа 2Д2С, пригодный для шумовых измерений в диапазоне до нескольких сотен мегагерц. Основное достоинство подобного источника заключается в том, что имеется однозначная зависимость между интенсивностью генерируемого шума и анодным током диода. Эта зависимость описывается простым выражением:

N = 20,5I o R kT 0 , где N - мощность шума на единицу полосы пропускания, Вт/Гц; I 0 - анодный ток, A; R -сопротивление нагрузки, Ом; k - постоянная Больцмана; T 0 - температура окружающей среды (произведение kTo равно мощности тепловых шумов активного сопротивления, нагретого до температуры T 0 ); 1 kT 0 = 4-10~ 21 Вт/Гц; 20,5 - коэффициент, имеющий размерность 1/В.

Обычно при шумовых измерениях в качестве единицы используется 1 kT 0 . Интенсивность шума в таких единицах для сопротивления нагрузки шумового диода 75 Ом описывается простым соотношением: F= 1,5I , где I - ток в миллиамперах. Аналогично для сопротивления нагрузки 50 Ом: F= I .

Видно, что миллиамперметр, измеряющий анодный ток шумового диода, может быть отградуирован непосредственно в единицах kT 0 .

Чувствительность приемника измеряется с помощью шумового генератора следующим образом. Генератор подключают ко входу приемника и с помощью ручной регулировки усиления устанавливают некоторый уровень шума на выходе УНЧ. Приемник должен работать в режиме приема телеграфных или SSB сигналов при отключенной АРУ. Если в приемнике есть регулировка полосы пропускания, то ее надо поставить в положение максимальной полосы. Индикатором выхода может служить тестер или любой другой прибор, предназначенный для измерения переменного напряжения.

Если в приемнике отсутствует режим приема телеграфных сигналов, то вольтметр надо подключить к выходу УПЧ.

После того как на индикаторе выхода установлен некоторый уровень шума, включают питание шумового диода и подбирают такой анодный ток, при котором произойдет удвоение мощности выходного сигнала (показания вольтметра должны увеличиться в 1,41 раза). Это будет означать, что неизвестная мощность шумов, приведенная ко входу приемника, сравнивается с известной мощностью шумового генератора. При этом полезно помнить, что мощность шумов, приведенная ко входу, в данном случае складывается из собственных шумов приемника и тепловых шумов, которые генерируют активное сопротивление, входящее в состав диодного генератора. Таким образом, даже в идеальном - приемнике, в котором собственные шумы вообще отсутствуют, мощность шумов, приведенная к входу, в данном случае равна 1 kT 0 . Если же надо оценить собственные шумы приемника, то из полученной в результате измерений цифры надо отнять единицу. Например, у приемника, имеющего коэффициент шума 1,8, собственная мощность шумов составляет 0,8 kT 0 .

Описанную ранее методику измерений можно несколько усовершенствовать. Дело в том, что на практике неудобно отслеживать по стрелочному прибору увеличение напряжения в 1,41 раза. При этом или каждый раз надо рассчитывать значение, которое надо получить при включении генератора, или каждый раз устанавливать начальное напряжение на заранее нанесенную на шкале риску. Значительно удобнее ввести в измерительную цепь делитель, подключаемый одновременно с подачей анодного напряжения на шумовой диод. Делитель надо настроить таким образом, чтобы при его подключении напряжение, поступающее на индикатор выхода, уменьшалось в 1,41 раза. При включении генератора это уменьшение компенсируется соответствующим увеличением шума приемника.

Схема измерителя коэффициента шума показана на рис. 31. Измеритель состоит из шумового генератора, измерительной схемы и блока питания. Прибор работает следующим образом. В начальный момент, когда кнопка Кн1 отжата, контакт Р1/1 разомкнут и питание на диод Л1 не поступает. Шумовой сигнал с выхода приемника поступает на гнездо Ш1 >и далее через эмиттерные повторители (T1, Т2) и выпрямитель (Д12-Д15) на стрелочный индикатор ИП2. При нажатой кнопке включается реле Р1 и на диод Л1 поступает анодное напряжение 120-150 В. Ток диода можно регулировать переменным резистором R1. Одновременно с этим контакт Р1/2 подключает нижнее плечо делителя напряжения, который обеспечивает ослабление шумового сигнала на 3 дБ.

Настройка прибора сводится к регулировке делителя с помощью подстроечного резистора R10. Для этого на гнездо Ш1 надо подать синусоидальный сигнал и по вольтметру, подключенному к точке а, добиться, чтобы при нажатии кнопки выходное напряжение уменьшалось в 1,41 раза. Конструкция измерителя не имеет особенностей. Важно только обеспечить минимальную длину выводов резистора R4 и конденсаторов С5 и С6. При этом во избежание внешних наводок желательно снабдить диод Л1 отдельным экраном.

Дроссели L1 и L2 имеют по 20 витков провода ПЭВ2-0,64. Диаметр каркаса 4-5 мм. Прибор ИП1 - миллиамперметр со шкалой 5-10 мА, ИП2 - микроамперметр 50-200 мкА. Реле Р1 типа РЭС-9. Вместо диодов Д9, Д10 можно применить газоразрядный стабилитрон СГ1П.

Процедура измерения коэффициента шума данным прибором очень проста. Нажимая и отжимая кнопку Кн1, надо с помощью резистора R1 добиться неизменных показаний стрелочного индикатора ИП2. Коэффициент шума отсчитывается по миллиамперметру ИП1. С помощью прибора можно легко найти оптимальное положение элементов настройки входной цепи приемника. Для этого надо нажимать кнопку Кн1 с периодичностью 0,5-1 с и, подстраивая входную цепь, следить по индикатору ИП2 за изменением коэффициента шума. Прибор пригоден для абсолютных измерений коэффициента шума в KB диапазонах, а также в диапазонах 144 и 432 МГц. В диапазоне 1296 МГц шумовой генератор дает большую погрешность и годится только для относительных измерений.

(рис. 31 - щелкните мышью для получения большого изображения)