Расчет радиолокационного приемника

     Однако  в реальных условиях эксплуатации РПрУ чаще имеют место ситуации, когда  пренебречь влиянием помех на радиоприем нельзя. Если сигнал и помеха соизмеримы, увеличение усиления УТ не приводит, очевидно, к росту чувствительности и, таким образом, наименьший уровень сигнала, который может быть принят, определяется фактически уровнем не самого сигнала, а помех. Воздействующие на приемник помехи могут быть как внешними (от других радиосистем, индустриального или природного происхождения), так и внутренними (шумы), причем даже если внешние помехи отсутствуют, на выходе РПрУ всегда присутствуют внутренние помехи, обусловленные в основном его флуктуационными шумами. В последнем случае предел чувствительности приемника определяется его внутренними шумами. Такое положение особенно характерно для РПрУ диапазона СВЧ, в котором уровень внешних помех сравнительно мал и решающее значение имеют внутренние шумы. Чувствительность, ограниченную внутренними шумами, количественно оценивают реальной или пороговой чувствительностью, коэффициентом шума или шумовой температурой.

     Избирательностью (селективностью) называется способность РПрУ выделять полезный сигнал, ослабляя действие мешающих сигналов (помех). Основана она на использовании тех или иных различий полезных и мешающих сигналов: направления прихода и времени действия, поляризации, амплитуды, частоты и фазы.

     Пространственная избирательность достигается с помощью остронаправленных приемных антенн или путем электронного управления синтезированной диаграммой направленности фазированной антенной решетки. Поляризационная избирательность реализуется также приемной антенной, настраиваемой на вид поляризации волны полезного сигнала. Временная избирательность (при приеме импульсных сигналов) достигается отпиранием приемника только на время действия полезного сигнала.

     Основное  же значение имеет частотная избирательность, поскольку в системах радиосвязи, радиовещания и телевидения сигналы обычно отличаются по частоте и их разделение осуществляется с помощью резонансных цепей и фильтров. Различают односигнальную и эффективную частотную избирательность.

     Односигналъная  избирательность определяется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) фильтров УТ приемника при действии на его входе только одного малого сигнала (полезного или мешающего), не вызывающего нелинейных эффектов. Нормированной АЧХ УТ называют величину

                                                 ⁽¹⁾

где K(f) - модуль коэффициента усиления (передачи) УТ по напряжению на произвольной частоте ƒ; К_о - резонансный коэффициент усиления на частоте настройки приемника ƒ₀. Количественно односигнальная избирательность РПрУ оценивается величиной, обратной (1.):

                                                           (2)

и определяет ослабление помехи при заданной ее расстройке ∆ƒ=ƒ-ƒ_о относительно ƒ₀. Зависимость Se (∆ƒ) называется характеристикой . односигнальной избирательности (рисунок 3, а). Поскольку в современных РПрУ пределы изменений Se (∆ƒ) весьма значительны, обычно используется оценка избирательности в децибелах: Se [дБ] = 20 lg [K₀/K(∆f)] (рисунок 3, б). Наибольший интерес представляют величины избирательности на частотах, вблизи или на которых в УТ могут попасть помехи. Исходя из этого избирательность РПрУ часто характеризуется рядом численных значений для определенных побочных каналов приема: Se_i = K₀/K_Пi , где K_Пi - коэффициент усиления (передачи) УТ на частоте помехи ƒ_Пi i -го побочного канала приема. 
 

Рисунок 3. 

     Идеальной характеристикой избирательности  является прямоугольная с полосой пропускания, равной ширине спектра полезного сигнала, в пределах которой Se = 1, а за ее пределами Se —> ∞ . При такой характеристике обеспечиваются неискаженное воспроизведение спектра сигнала и бесконечно большое подавление любой внеполосной помехи. Для оценки степени близости реальной характеристики избирательности к идеальной используется коэффициент прямоугольности k_{П γ} = П_γ /П_0,7 где П_0,7 - полоса пропускания УТ на уровне 1/√2 = 0,707 (3 дБ) и П_γ — полоса на заданном уровне у, который выбирается равным одному из значений: 0,1; 0,01; 0,001 и т.д. Для идеальной характеристики k_Пγ = 1, т.е. избирательность тем выше, чем ближе коэффициент прямоугольности к единице. Реже степень близости реальной характеристики избирательности к идеальной оценивают средней крутизной ее скатов или ослаблением при заданной расстройке от частоты ƒ₀ .

     В большинстве систем радиосвязи и радиовещания полезный сигнал принимается на фоне одной или нескольких значительных по уровню внеполосных помех, при этом даже незначительная нелинейность УТ приводит к таким эффектам, как перекрестная модуляция, сжатие амплитуды, блокирование, интермодуляция. Перекрестная модуляция проявляется в переносе модуляции помехи на полезный сигнал. Если колебание сигнала модулировано, перекрестная модуляция ухудшает отношение сигнал/помеха (С/П) или делает прием полезного сообщения вообще невозможным. Сжатие амплитуды радиосигнала, т.е. нарушение линейной зависимости между амплитудами сигнала на выходе и входе УТ, наблюдается в режиме большого полезного сигнала и обусловлено уменьшением средний крутизны усилительных приборов (УП) за период под его воздействием. Блокирование полезного сигнала возникает также вследствие уменьшения коэффициента усиления УТ, но уже под действием сильных мешающих сигналов с частотами, отличающимися от частот основного и побочного каналов приема.

     Интермодуляция  заключается в том, что при воздействии на какой-либо нелинейный элемент в УТ двух или более помех с частотами ƒ_П1, ƒ_П2, ƒ_П3, ... на выходе этого элемента возникает сложный спектр интермодуляционпых колебаний вида mf_П1 ± nf_П2 ± рf_П3 ± ..., где т, п, р— целые числа. Если частоты одной или нескольких составляющих этого спектра совпадают с частотой настройки РПрУ или любого побочного канала приема, такие составляющие усиливаются в УТ наравне с полезным сигналом, накладываются на него, снижают отношение С/П и искажают принимаемое сообщение.

     В условиях действия сильных помех, приводящих к указанным эффектам, наиболее полную характеристику избирательных свойств приемника дает эффективная, или мпогосигналъная, частотная избирательность. Для оценки двух- или трехсигнальной избирательности на вход приемника от измерительных генераторов подаются соответственно два или три колебания, имитирующие сигнал и помехи с определенным соотношением частот и параметров модуляции.

     Помехоустойчивостью называют способность РПрУ обеспечивать нормальное функционирование в условиях воздействия определенной совокупности помех. Существуют различные критерии количественной оценки помехоустойчивости: вероятностный, энергетический, артикуляционный. При приеме дискретных сигналов применяется вероятностный критерий, связанный с определением средней вероятности искажения элементарного сигнала р₀, зависящей от превышения сигнала над помехой h. График функции p₀(h) называется характеристикой помехоустойчивости, вид которой зависит от типа модуляции сигнала, свойств среды распространения электромагнитных волн и других факторов. При приеме аналоговых сигналов для оценки помехоустойчивости удобен энегетический критерий, предполагающий измерение отношения мощностей или эффективных напряжений сигнала и помехи на выходе РПрУ при заданном отношении С/Ш на входе. Артикуляционный критерий используется для оценки помехоустойчивости приема речевых сообщений и реализуется путем количественной экспертной оценки разборчивости передаваемых тестовых текстов.

     Такие из перечисленных выше показателей, как реальная чувствительность, избирательность и помехоустойчивость, в значительной мере определяют характеристику электромагнитной совместимости (ЭМС), отражающую возможность РПрУ работать как в комплексе с оказывающими влияние радиоэлектронными устройствами данной радиосистемы (внутрисистемная ЭМС), так и с другими радиосистемами (межсистемная ЭМС). Указанные показатели характеризуют прежде всего восприимчивость радиоприемника к мешающим электромагнитным воздействиям через антенну и по цепям питания, управления и коммутации. Однако следует отметить, что содержащиеся в РПрУ генераторные, цифровые и иные устройства создают узкополосные или широкополосные электромагнитные излучения, которые могут быть помехами для других радиоэлектронных средств. Проблема обеспечения ЭМС возникает, например, при размещении РПрУ вблизи РПдУ на подвижных объектах (судах, самолетах, космических аппаратах) или при работе от общих антенн.

     Передаваемые  по радиоканалу сообщения могут искажаться в приемном тракте как вследствие недостаточной ЭМС приемника, так и непосредственно из-за неидеальности его характеристик. Способность приемника в отсутствие помех воспроизводить на выходе закон модуляции входных сигналов с заданной точностью называют верностью воспроизведения сообщений. Количественно верность воспроизведения оценивается искажениями выходного сигнала — изменениями его формы по отношению к модулирующей функции. Различают статические и динамические характеристики искажений.

     К статическим относятся характеристики линейных искажений, нелинейных искажений и искажений, связанных с ограничением динамического диапазона. Линейные искажения проявляются в различных условиях прохождения отдельных составляющих спектра полезного сигнала через приемный тракт. Они обусловлены инерционностью элементов тракта, не сопровождаются появлением в спектре новых составляющих и не зависят от уровня входного сигнала и глубины модуляции. Линейные искажения могут быть амплитудными и фазовыми.

     Амплитудно-частотные  искажения проявляются в изменении соотношения амплитуд спектральных составляющих и оцениваются неравномерностью АЧХ высокочастотного тракта и тракта частоты модуляции, называемой характеристикой верности воспроизведения по напряжению Х_Н(F_М), где Х_H = 20 lg (U_Вых/U_{Bых м}); F_M — частота модуляции входного сигнала; U_Вых — напряжение на выходе приемника при произвольной F_М ; U_{ВЬ1Х М} то же, при F_М = 400 или 1000 Гц. Характеристика X_Н(F_М) фактически является произведением АЧХ приемника по высокой частоте и АЧХ низкочастотного тракта, снимается при неизменных частоте настройки, амплитуде и глубине модуляции входного сигнала. Ее идеальный вид - прямая на уровне 0 дБ. Реальная характеристика верности имеет спады в области нижних и верхних частот, обусловленные особенностями АЧХ соответствующих трактов. Более полную оценку амплитудных искажений с учетом влияния ОУ позволяют получать характеристики верности по звуковому давлению (для радиовещательных приемников) или по яркости (для телевизионных приемников).

     Фазовые искажения обусловлены тем, что при прохождении через приемник различные составляющие спектра сигнала задерживаются не на одно и то же время, в результате чего искажается форма модулирующего колебания. При идеальной фазочастотной характеристике (ФЧХ) φ(f) в виде линейной зависимости такие искажения отсутствуют. Для оценки фазовых искажений в РПрУ используется характеристика группового времени запаздывания (ГВЗ), представляющего собой производную по частоте от ФЧХ: τ₃ = dφ/2πdf. Идеальная характеристика ГВЗ представляет собой прямую, параллельную оси абсцисс на уровне среднего значения τ_зср, мерой искажений служит неравномерность характеристики. Фазовые искажения не оказывают заметного влияния на слуховой прием монофонического вещания, однако существенно сказываются на качестве приема телевизионных, цифровых и ряда других сигналов.

     Нелинейные  искажения обусловлены главным образом нелинейностями характеристик усилительных элементов, связаны с появлением в спектре модулирующего сигнала на выходе РПрУ новых составляющих и зависят от уровня сигнала и глубины модуляции.  Оцениваются  они  коэффициентом  гармоник  модулирующего   сигнала   где     U_вых1, U_Вых2, U_Вых3 — эффективные значения напряжения соответствующих гармонических составляющих частоты модуляции F_М. Нелинейные искажения возникают на участках приемного тракта с высокими уровнями сигнала и при слуховом приеме, например, ухудшают его качество.

     Таким образом, максимальный уровень входного сигнал Е_{а доп}  в приемнике ограничен допустимыми нелинейными искажениями в УТ. Минимальный уровень Е_А0 определяется, как отмечалось ранее, уровнем собственных шумов, т.е. реальной чувствительностью приемника. Эти уровни ограничивают динамический диапазон (ДД) по основному каналу РПрУ

 D = 20 lg (Е_{А ДОП} /Е_А0), характеризующий пределы изменения уровня входных сигналов Е_А, при которых обеспечивается допустимая потеря информации, содержащейся в полезном сигнале. В пределах ДД, который у современных приемников может достигать 100...120 дБ, нелинейные искажения оцениваются по амплитудной характеристике U_ВЫХ(Е_А), близкой в этих пределах к линейной. Нелинейные искажения полезного сигнала могут возникать не только из-за его высокого уровня, но и вследствие воздействия сильной помехи в соседнем канале приема. Для оценки этих искажений вводится понятие «динамический диапазон по соседним каналам».

     При визуальном приеме существенное значение имеют динамические характеристики переходных процессов, позволяющие оценивать линейные искажения импульсных сигналов. Переходной характеристикой РПрУ называется временная зависимость выходного напряжения U_ВЫХ(t) при подаче на вход Е_А в форме радио-

Рисунок 4. 

импульса (рис. 4). Искажения фронта и плоской части импульса характеризуются рядом параметров. Время запаздывания t₃ — время с момента начала входного импульса до момента, когда достигается U_ВЬ1Х = 0,5U₀, где U_o = U_BЫХ{t) при t→ ∞, т.е. установившееся значение выходного сигнала. Время изменения U_ВЫХ(t) от 0,1 до 0,9 U₀ называется временем нарастания t_Н или длительностью фронта импульса. Выбросы переходной характеристики оцениваются как ∆i = ∆Uвых i /U₀, где ∆U_{Вых i} - максимальные отклонения амплитуды выходного напряжения от установившегося значения.