Расчет радиолокационного приемника

     Приемники различных диапазонов могут существенно  отличаться по структуре, схемной и конструктивной реализациям, элементной базе, однако существуют РПрУ, которые обеспечивают прием в нескольких диапазонах («всеволновые»). Приемники звукового вещания работают в диапазонах волн: длинных (ДВ; НЧ), средних (СВ; СЧ), коротких (KB; ВЧ), ультракоротких (УКВ; ОВЧ), дециметровых (ДМВ; УВЧ). Вещательные телевизоры осуществляют прием программ наземных телевизионных систем в метровом и дециметровом диапазонах. В дециметровом и сантиметровом диапазонах работают РПрУ радиорелейных и спутниковых систем связи и телевизионного вещания. Приемники систем прямой меж спутниковой связи и телевизионных систем высокой четкости должны обеспечивать прием на миллиметровых, деци-миллиметровых и оптических волнах.

     По  виду принимаемых сигналов приемники  делят на два класса: непрерывных (аналоговых) и дискретных сигналов. По виду принимаемой информации различают РПрУ радиотелефонные, звукового вещания, факсимильные, телевизионные, радиотелеграфные, передачи данных и др. Существуют, особенно в системах радиосвязи, РПрУ, предназначенные для приема информации различных видов. В зависимости от вида используемой модуляции (манипуляции в случае дискретных сигналов) бывают приемники амплитудно-модулированных (AM), частотно-модулированных (ЧМ), фазомодулированных (ФМ) сигналов, сигналов с одной боковой полосой (ОБП) и различными видами импульсной модуляции и др.

     Кроме того, различают РПрУ:

     по  месту установки - стационарные, мобильные, бортовые переносные;

     по  способу питания - питаемые от сети переменного тока, от аккумуляторов, гальванических или солнечных батарей, с универсальным питанием;

     по  способу управления и коммутации - с ручным, частично или полностью  автоматизированным, дистанционным, комбинированным управлением.

     Первые  РПрУ, пригодные для практического  применения, были построены и продемонстрированы в 1895 г. русским физиком и электротехником А.С. Поповым, а также запатентованы итальянским изобретателем и предпринимателем Г. Маркони (1897 г.). Научной основой для создания этих устройств, положивших начало радиотехнике, послужили фундаментальные и прикладные физические исследования в области теории возбуждения, излучения и улавливания электромагнитных волн, проведенные во второй

половине  XIX века Дж. Максвеллом, Г. Герцем, Э. Бранли, О. Лоджем, Н. Тесла и другими учеными. В качестве индикатора электромагнитных волн в этих РПрУ использовался так называемый когерер. Низкая чувствительность последнего, отсутствие усиления мощности принимаемых сигналов и резонансных колебательных систем существенно ограничивали радиус действия таких приемников и не позволяли реализовывать важную функцию избирательности полезного сигнала среди других сигналов и помех. На рубеже XIX-XX веков повышение чувствительности и избирательности РПрУ за счет замены когерера детектором, применения резонансных контуров и слухового приема, совершенствования антенн позволило реализовать весьма эффективные по тем временам военные и гражданские системы радиосвязи на суше и на море, а также провести ряд экспериментов по другим применениям радио (метеорология, определение местоположения объектов, отражающих радиоволны и др.).

     Качественно новый полувековой этап развития техники РПрУ, как и всей радиотехники, начался с применения электронных  ламп - диода (1904 г.), использовавшегося  преимущественно в качестве детектора, и особенно триода (1907 г.), применение которого для усиления мощности принятых сигналов обеспечило многократное повышение- чувствительности ламповых приемников по сравнению с детекторными. Предложенный в 1913 г. принцип регенеративного приема позволил еще более увеличить чувствительность и избирательность РПрУ прямого усиления. Уже в годы первой мировой войны приемники, в которых триоды использовались для усиления, детектирования и преобразования сигналов, обеспечивали устойчивую радиосвязь на расстояниях свыше тысячи километров.

     В 1918 г. был разработан обладающий значительными  преимуществами супергетеродинный метод приема, однако его широкое внедрение стало реальным только с появлением 1926-1930 гг. экранированных ламп - тетродов, пентодов и других многосеточных усилительно-преобразовательных ламп. С начала 30-х годов этот метод приема является основным во всем радиодиапазоне волн. Ведущие страны мира в 30-40 гг. приступили к серийному промышленному производству РПрУ различного назначения - в первую очередь для систем радиовещания, профессиональной радиосвязи и электронного телевидения.

     В указанный период в связи с  перегруженностью освоенных радиодиапазонов  и потребностями высококачественного  электронного телевидения усиленно изучался и осваивался диапазон УКВ, для повышения качества и надежности радиоприема разрабатывались эффективные методы модуляции и борьбы с помехами. Были предложены и стали внедряться ЧМ, AM с ОБП, ФМ и кодовая модуляции, освоены синхронный приём и прием телеграфных сигналов с улучшенным качеством. В годы второй мировой войны в связи с разработкой радиолокационных и радиорелейных систем начинается освоение дециметрового и сантиметрового диапазонов волн, получает развитие теория и техника радиоимпульсного приема. В конце 40-х годов были разработаны новые типы электронных приборов СВЧ (дисковые триоды, отражательные клистроны, лампы бегущей волны и др.) и освоены методы построения РПрУ этого диапазона.

     В решении проблемы помехоустойчивости радиоприема возникло новое направление, основанное на изучении и использовании различий в статистических характеристиках сигналов и помех с помощью методов теории передачи информации. Одним из важнейших достижений на этом направлении было создание теории потенциальной помехоустойчивости приема (1946 г.), на базе которой развивается современная теория анализа и синтеза радиосистем, оптимальных по помехоустойчивости.

     В 50-е годы начался новый этап развития техники радиоприема на основе достижений полупроводниковой электроники. Детекторные свойства пары «металл-полупроводник» нашли применение еще на заре радиотехники, а с использованием усилительных и генераторных свойств такой пары был даже создан высокочувствительный безламповый радиоприемник-кристадин (1923 г.). Широкому внедрению полупроводниковых приборов способствовало изобретение транзистора (1947 г.). Быстрый процесс «транзисторизации» привел к вытеснению электронных ламп из радиоприемной аппаратуры умеренно высоких частот, а разработка малошумящих полупроводниковых параметрических усилителей (ППУ) и появление туннельного диода (ТД), также использовавшегося для малошумящего усиления, «продвинули» этот процесс в СВЧ диапазон. В 60-х годах начинает развиваться микроэлектроника, и 80-е годы характеризуются широким внедрением в РПрУ сначала аналоговых, а затем и цифровых интегральных микросхем (ИМС), что наряду с дальнейшим повышением надежности и улучшением массогабаритных и энергетических показателей радиоприемников позволило осуществлять сложные, ранее нереализуемые принципы и методы приема и обработки сигналов.

     В настоящее время техника радиоприема  развивается по следующим основным направлениям:

     дальнейшее  освоение наиболее высокочастотных  диапазонов волн, включая миллиметровый, децимиллиметровый и оптический,

     широкое внедрение методов и средств  цифровой обработки сигналов, микропроцессорной  и вычислительной техники для  автоматизации РПрУ;

     совершенствование методов борьбы с помехами;

     значительное  улучшение качественных показателей  РПрУ, увеличение функциональной сложности приемной техники;

     повышение степени интеграции функциональных узлов и блоков РПрУ. 
 
 
 
 
 

     1.2. Структура и принцип действия радиоприемных устройств 

     В соответствии с занимаемым в радиоканале  местом РПрУ должны обеспечивать следующие  основные функции:

     выделение полезного сигнала из смеси с  шумом или другими мешающими  сигналами;

     усиление  полезного сигнала;

     ослабление  мешающего действия помех, присутствующих во входных колебаниях;

     детектирование  радиочастотных сигналов с целью  формирования колебаний, соответствующих передираемому сообщению.

     Помимо  указанных основных функций для  многих современных РПрУ характерно выполнение и других сложных функций, например: частотное преобразование принимаемых радиосигналов с целью перенесения в область частот, где обеспечиваются наилучшие условия их обработки; изменение параметров РПрУ для достижения заданного или наилучшего качества его работы (адаптация) при изменениях электромагнитной обстановки в месте приема, определяемой совокупностью всех помех.

     Обобщенная структурная схема, отражающая основные функции РПрУ, представлена на рисунок 2. Она состоит из пяти функциональных блоков-трактов. 

Рисунок 2. 

     В усилительно-преобразовательном тракте (УТ) осуществляется выделение полезных сигналов из всей совокупности поступающих от антенны А сигналов и помех, не совпадающих по частоте с полезным сигналом, и усиление последнего до уровня, необходимого для нормальной работы последующих каскадов. Хотя в УТ с сигналом могут производиться некоторые нелинейные процедуры (смещение спектра, ограничение амплитуды и др.), в принимаемую информацию указанный тракт существенных искажений не вносит и в этом смысле его можно считать линейным.

     В информационном тракте (ИТ) осуществляется основная обработка сигнала с целью выделения содержащейся в нем информации (демодуляции) и ослабление мешающего воздействия помех. При этом важнейшей задачей является выделение информации с максимальной достоверностью - так называемый оптимальный прием. Для этого в составе ИТ предусматриваются оптимальный фильтр, цепи последетекторной обработки, следящие системы частотной (ЧАПЧ) и фазовой (ФАПЧ) автоматической подстройки частоты, используемые для демодуляции сигнала, а также для его поиска и сопровождения по частоте, фазе и задержке.

     Гетеродинный  тракт (ГТ) преобразует частоту собственного или внешнего опорного генератора и  формирует сетки частот, необходимые для работы преобразователей частоты в УТ, следящих систем и устройств обработки сигнала в ИТ. Зачастую это сложное самостоятельное устройство - синтезатор частот (СЧ), обеспечивающий работу и других подсистем радиосистемы, прежде всего РПрУ.

     Тракт адаптации, управления и контроля (ТАУК) позволяет осуществлять ручное, дистанционное  и автоматизированное управление режимом  работы РПрУ (включение и выключение, поиск и выбор сигнала, адаптация к изменяющимся условиям работы и т.д.) и отражает качество его работы на соответствующих индикаторах. В оконечном устройстве (ОУ) энергия выделяемого сигнала используется для получения требуемого выходного эффекта - акустического (телефон, громкоговоритель), оптического (кинескоп, дисплей), механического (печатающее устройство).

     Вторичный источник питания (ВИП) преобразует  энергии первичного источника в  форму, удобную для использования  непосредственно в РПрУ. В ВИП может осуществляться преобразование напряжения, выпрямление, фильтрация, стабилизация.

     Радиоприемные устройства обладают всеми свойствами, характерными для подсистем сложной системы. Они взаимодействуют с другими элементами радиосистемы (РПдУ, антенной, устройствами управления и контроля и др.), с окружающей средой и оператором. Иерархичность структуры РПрУ проявляется в том, что отдельные тракты, блоки и узлы являются управляющими для одних и управляемыми для других элементов подсистемы. Поскольку прием полезных сигналов всегда осуществляется в условиях воздействия недетерминированных, непредсказуемых помех, функционирование приемной подсистемы носит стохастический характер.

     Рассмотренная структурная схема является наиболее общей, однако в конкретных РПрУ отдельные связи между трактами и даже некоторые тракты могут отсутствовать или выполнять более ограниченный набор функций, при этом упрощение структуры приемного устройства и ограничение функций отдельных трактов снижают полноту реализации возможностей радиоприема. Наибольшая эффективность приема достигается при объединении нескольких РПрУ в радиоприемные системы, управляемые на основе адаптивных алгоритмов. В таких системах каждое РПрУ принимает одну и ту же информацию в различных условиях приема (на разных частотах, в пространственно разнесенных точках, с разными антеннами и т.д.) и под управлением компьютера осуществляется обработка всех принятых сигналов или выделение сигнала, соответствующего наилучшим условиям приема. В системах радиосвязи часто используется прием многоканальных сообщений. В РПрУ таких систем имеется дополнительный тракт разделения каналов с последующими ОУ в каждом канале. 
 

1.3. Показатели радиоприемных устройств 

     Качественные  показатели РПрУ определяются электрическими, конструктивно-эксплуатационными и производственно-экономическими характеристиками.

     Одна  из важнейших электрических характеристик  радиоприемника - чувствительность, под которой понимают способность приемника принимать слабые сигналы. Количественно чувствительность оценивается минимальной ЭДС в антенне Е_А0 (для РПрУ умеренно высоких частот) или номинальной мощностью P_A0 (для РПрУ СВЧ) нормально модулированного сигнала, при которых на выходе приемника сигнал воспроизводится с требуемым качеством. Под требуемым качеством обычно понимается либо получение заданного уровня сигнала на выходе, обеспечивающего нормальное функционирование ОУ при определенном отношении мощности сигнала к мощности шумов (С/Ш), либо реализация одного из вероятностных критериев принятого сигнала. Данное определение справедливо для тех случаев, когда внешние помехи мало влияют на прием, что характерно, например, для приемников со сравнительно малым усилением в УТ, принимающих достаточно сильные сигналы. При этом чувствительность ограничена усилением УТ: чем выше усиление, тем больше уровень сигнала на выходе РПрУ и тем легче получить нужное качество приема.