Проектирование и Расчет Радиоприемных Устройств для Систем Радиосвязи: Комплексное Руководство для Курсового Проекта

В мире, где каждую секунду передаются терабайты данных, где беспроводная связь стала неотъемлемой частью нашей повседневности — от смартфонных звонков до спутниковой навигации — роль радиоприемных устройств (РПрУ) трудно переоценить. Эти невидимые улавливатели электромагнитных волн являются сердцем любой системы радиосвязи, обеспечивая преобразование слабых радиосигналов в полезную информацию. Проектирование РПрУ — это сложная, но увлекательная инженерная задача, требующая глубоких знаний в радиотехнике, схемотехнике и цифровой обработке сигналов.

Настоящее руководство предназначено для студентов технических вузов, выполняющих курсовой проект, и ставит своей целью не просто дать набор формул, а сформировать всестороннее понимание принципов проектирования, расчета и выбора элементной базы современных РПрУ. Мы углубимся в архитектурные решения, от классических супергетеродинов до передовых систем программно-определяемого радио (SDR), рассмотрим тонкости расчета ключевых параметров, таких как полоса пропускания и промежуточная частота, изучим современные методы фильтрации и оптимизации чувствительности, а также освоим подходы к автоматической регулировке усиления и применению мощных САПР-инструментов. Это не просто курсовая работа — это ключ к пониманию того, как мир остается на связи, ведь именно надежность приема определяет качество всей коммуникации.

Основные Принципы Построения и Архитектура Радиоприемных Устройств

Развитие радиосвязи на протяжении последних ста лет наглядно демонстрирует эволюцию радиоприемных устройств: от простейших детекторных приемников до сверхсложных многорежимных систем. Современные РПрУ — это сложнейшие комплексы, включающие в себя приемную антенну, сам радиоприемник и оконечное устройство. При этом выбор архитектуры приемника является одним из первых и наиболее ответственных этапов проектирования, поскольку он определяет его ключевые характеристики и область применения.

Классификация и Обзор Типов Радиоприемников

Исторически сложились три основных класса радиоприемников, каждый из которых имеет свои уникальные особенности, преимущества и недостатки: приемники прямого усиления, приемники прямого преобразования и супергетеродинные приемники.

Приемники прямого усиления являются старейшими и наиболее простыми по своей концепции. В них радиочастотный сигнал непосредственно усиливается на несущей частоте, детектируется и затем подается на усилитель низкой частоты. Их основное достоинство — простота конструкции, что делает их применимыми для приема мощных радиостанций в длинноволновом и средневолновом диапазонах. Однако их недостатки существенны: низкая избирательность (способность отделять полезный сигнал от помех на близких частотах), низкая чувствительность (способность принимать слабые сигналы) и неравномерное усиление по диапазону. Эти ограничения привели к тому, что в современных системах связи приемники прямого усиления практически не используются, уступая место более сложным, но эффективным решениям, что логично для непрерывно развивающейся отрасли.

Приемники прямого преобразования (или гомодинные приемники) представляют собой компромисс между простотой и эффективностью. В этих устройствах сигнал с антенны смешивается с сигналом местного гетеродина, частота которого равна или близка к частоте принимаемого сигнала. В результате такого преобразования образуется низкочастотный или даже нулевой частотный сигнал, который затем усиливается и демодулируется. Ключевые преимущества приемников прямого преобразования включают:

• Сравнительная простота: Отсутствие промежуточной частоты и связанных с ней фильтров упрощает схемотехнику.
• Малое энергопотребление: Что делает их идеальными для портативных устройств. Например, для 4-канальной базовой станции приемник прямого преобразования может занимать на печатной плате до 39% меньше места (около 352 мм²) по сравнению с супергетеродином.
• Применимость для высоких частот: Они удобны для приема сигналов крайне высоких частот (КВЧ) и сверхвысоких частот (СВЧ), поскольку частота гетеродина может быть в два раза ниже частоты сигнала, что упрощает его реализацию.
• Многодиапазонность: Легкая смена частоты гетеродина позволяет адаптировать такие приемники для работы в различных диапазонах, например, в системах GSM, GPRS, 3G.

Однако у них есть и серьезные недостатки: избирательность, чувствительность и динамический диапазон уступают супергетеродинным приемникам. Главным вызовом является близость зеркального канала к принимаемому сигналу, что чрезвычайно затрудняет его эффективную фильтрацию на низких частотах. Приходится балансировать между простотой и качеством, и это всегда компромисс.

Супергетеродинные приемники являются доминирующей архитектурой в подавляющем большинстве современных систем радиосвязи благодаря своим выдающимся характеристикам. Принцип их работы заключается в переносе частоты принимаемого сигнала на фиксированную промежуточную частоту (ПЧ) с помощью смесителя и местного гетеродина. Именно на этой фиксированной ПЧ осуществляется основное усиление и фильтрация сигнала. Ключевые преимущества супергетеродинной архитектуры:

• Высокая и стабильная избирательность: Поскольку фильтры промежуточной частоты работают на фиксированной частоте, их можно выполнить с очень высокой добротностью и стабильностью параметров, эффективно отсекая соседние и зеркальные каналы.
• Возможность получения большого усиления без паразитной генерации: Усиление распределяется по нескольким каскадам, работающим на разных частотах, что минимизирует риск самовозбуждения.
• Унификация: Использование стандартных промежуточных частот позволяет применять унифицированные фильтры и усилители.
• Эффективность критичных узлов: Наиболее критичные для качества приема части — узкополосный фильтр, усилитель ПЧ и демодулятор — работают на фиксированной частоте и не требуют перестройки, что значительно упрощает их оптимизацию.

Существуют также супергетеродинные приемники с двукратным и многократным преобразованием частоты, которые применяются в профессиональной и любительской радиосвязи для достижения ещё более высокой избирательности и подавления зеркального канала, несмотря на возрастающую сложность схемотехники.

Архитектура Программно-Определяемого Радио (SDR)

В последние десятилетия, с беспрецедентным развитием цифровых технологий, на авансцену вышла концепция Программно-Определяемого Радио (SDR — Software Defined Radio). Это не столько отдельный тип приемника, сколько революционный подход к его построению, основанный на цифровой обработке сигналов (ЦОС). В основе SDR лежит идея оцифровки радиосигнала на максимально ранней стадии, после чего большая часть (или даже вся) дальнейшая обработка сигнала осуществляется программно или с помощью специализированных аппаратных цифровых средств, таких как цифровые сигнальные процессоры (ЦСП) и программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС).

SDR-приемники, по своей сути, относятся к супергетеродинному типу (часто с одним или несколькими преобразованиями частоты до оцифровки), но их функциональность кардинально отличается. Гибкость SDR позволяет:

• Универсальность демодуляции: Возможность программной демодуляции практически любых типов сигналов, будь то CW (телеграфия), LSB/USB (однополосная модуляция), AM (амплитудная модуляция), FM (частотная модуляция) или сложные цифровые режимы, такие как DRM (Digital Radio Mondiale). Один SDR-приемник, работающий в диапазоне 50–10000 кГц, может демонстрировать подавление зеркального канала более 60 дБ.
• Программная реализация ключевых функций: Реализация таких функций, как автоматическая регулировка усиления (АРУ) и сложные фильтрующие свойства, осуществляется в программном обеспечении, что позволяет легко менять их параметры и адаптировать приемник под различные стандарты и условия приема.
• Высокая перегрузочная способность и низкие потери: ЦОС обеспечивает эти характеристики, труднодостижимые для чисто аналоговых систем.

Центральной вехой в развитии SDR стал прогресс в схемотехнике аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Ранее АЦП не могли работать на достаточно высоких частотах, чтобы оцифровывать сигнал на радиочастоте (РЧ) или высокой промежуточной частоте (ПЧ). Однако современные АЦП, такие как 16-битные АЦП с частотой дискретизации до 5 Гвыборок/с (GSPS) в решениях RFSoC, позволяют оцифровывать сигнал непосредственно на ПЧ. Это значительно упрощает структуру радиоприемного тракта, поскольку большая часть аналоговых блоков (смесители, гетеродины, фильтры) заменяется одним высокопроизводительным АЦП.

После оцифровки сигнала на ПЧ, одним из ключевых этапов ЦОС является перенос спектра сигнала в область нулевых частот с формированием квадратурных (I, Q) составляющих. Это позволяет эффективно работать с полосовым сигналом, преобразуя его в две низкочастотные составляющие (синфазную I и квадратурную Q), что упрощает последующую цифровую фильтрацию, демодуляцию и другие алгоритмы обработки.

Такой подход, безусловно, повышает требования к компонентам тракта, особенно к самому АЦП, генераторам и синтезаторам тактовых частот, из-за необходимости обеспечения высокой частоты дискретизации и низкого уровня шумов. Однако преимущества в гибкости, универсальности и качестве обработки сигнала делают SDR-архитектуру стандартом де-факто в современных системах радиосвязи, от базовых станций до портативных устройств.

Расчет Ключевых Параметров Радиотракта Приемника

Проектирование радиоприемного устройства — это процесс, требующий не только понимания принципов работы, но и точного инженерного расчета каждого узла. От правильного выбора и расчета ключевых параметров радиотракта зависит эффективность, надежность и соответствие приемника заданным требованиям. Два из наиболее фундаментальных параметров, определяющих характеристики приемника, — это полоса пропускания и промежуточная частота.

Расчет Полосы Пропускания Приемника

Полоса пропускания приемника (П) — это диапазон частот, в пределах которого приемник способен эффективно принимать и обрабатывать сигнал. Ее корректный расчет имеет критическое значение для обеспечения качества связи и подавления помех. Полоса пропускания приемника складывается из двух основных компонент: ширины спектра полезного сигнала (П_с) и полосы, необходимой для компенсации различных нестабильностей в тракте и неточностей настроек (П_н).

Формула для расчета полосы пропускания приемника выглядит следующим образом:

П = Пс + Пн

Где:

• П_с — ширина спектра сигнала. Этот параметр напрямую зависит от типа модуляции, используемой в системе связи. Различные виды модуляции занимают разную ширину частотного спектра, что необходимо учитывать при проектировании:
  • Узкополосная ЧМ (NFM): 12,5–15 кГц. Применяется в радиостанциях гражданского диапазона (CB) и некоторых служебных сетях.
  • Широкополосная ЧМ (WFM): 150–250 кГц. Используется в УКВ-ЧМ радиовещании.
  • Однополосная модуляция (SSB, LSB/USB): 2,4–3 кГц. Характерна для профессиональной и любительской радиосвязи на коротких волнах, обеспечивая эффективное использование спектра.
  • Телеграфия (CW): 200–500 Гц. Самый узкополосный вид модуляции, требующий минимальной полосы пропускания.

Для непрерывного ЧМ модулированного сигнала, когда необходимо учесть максимальную девиацию частоты, ширина спектра сигнала может быть рассчитана по формуле Карсона:

Пс = 2 Δfmax + 2Fmax

Где:

• Δf_max — максимальная девиация частоты (максимальное отклонение частоты несущей от номинальной).
• F_max — максимальная частота модуляции (наивысшая частота в спектре модулирующего сигнала).

• П_н — нестабильность. Эта составляющая учитывает все возможные отклонения частоты, которые могут привести к «уходу» полезного сигнала за пределы основной полосы пропускания. Нестабильность включает в себя:
  • Нестабильность частоты сигнала (f_с): Отклонения частоты передатчика.
  • Нестабильность частоты гетеродина приемника (f_г): Отклонения частоты местного гетеродина, вызванные температурными изменениями, старением компонентов и другими факторами.
  • Начальная неточность установки частоты гетеродина (f_нач): Погрешность, возникающая при первоначальной настройке гетеродина на нужную частоту.
  • Неточность настройки контуров УПЧ (f_пч): Отклонения центральной частоты фильтров промежуточной частоты.

Таким образом, для надежного приема, полоса пропускания приемника должна быть достаточной, чтобы вместить спектр сигнала и компенсировать все эти нестабильности.

Выбор и Расчет Промежуточной Частоты (ПЧ)

Промежуточная частота (ПЧ) является краеугольным камнем супергетеродинной архитектуры, играя центральную роль в формировании избирательности и усиления приемника. Правильный выбор ПЧ критически важен и определяется рядом взаимосвязанных критериев:

1. Подавление зеркального канала (S_езк): Зеркальный канал — это нежелательный сигнал, который, будучи преобразованным смесителем, попадает на ту же ПЧ, что и полезный сигнал. Чем выше ПЧ, тем дальше находится зеркальный канал от полезного, и тем легче его подавить с помощью входных цепей (преселектора).
2. Подавление соседнего канала (S_еск): Соседний канал — это мешающий сигнал, расположенный близко к полезному по частоте. Высокая избирательность по соседнему каналу обеспечивается узкополосными фильтрами на ПЧ. Выбор относительно низкой ПЧ (например, 70 кГц, 76 кГц, 455 кГц, 465 кГц или 468 кГц) облегчает создание таких высокодобротных фильтров.
3. Полоса пропускания линейного тракта (П): ПЧ должна быть согласована с требуемой полосой пропускания приемника.
4. Возможность применения контуров с реализуемой добротностью: Для формирования избирательности на ПЧ используются резонансные контуры или фильтры. Их добротность зависит от частоты, и при слишком высокой ПЧ становится трудно реализовать контуры с требуемой добротностью.
5. Избегание совпадений с мощными станциями: ПЧ должна находиться вне диапазона принимаемых частот и, что крайне важно, не должна совпадать с частотами мощных радиовещательных станций, чтобы избежать интерференции.
6. Стандартизация: Для унификации и использования готовых компонент, ПЧ должна иметь стандартное значение, установленное государственными стандартами. Это также гарантирует, что на этих частотах не работают мощные радиостанции.

Примеры стандартизированных промежуточных частот:
ГОСТ 17692-89 устанавливает ряд стандартных ПЧ для различных типов приемников:

• 0,070 МГц (±0,002 МГц)
• 0,076 МГц (±0,002 МГц)
• 0,455 МГц (±0,002 МГц)
• 0,465 МГц (±0,002 МГц)
• 0,468 МГц (±0,002 МГц)
• 1,840 МГц (±0,005 МГц)
• 2,900 МГц (±0,010 МГц)
• 10,700 МГц (±0,100 МГц)
• 24,975 МГц (±0,100 МГц)

Для радиолокационных приемников, например, часто используются ПЧ 30 МГц и 70 МГц. Более ранние стандарты, такие как ГОСТ 5651-51, допускали применение ПЧ 110–113 кГц для вещательных приемников 3-го и 4-го классов.

При проектировании выбор ПЧ часто представляет собой компромисс. Высокая ПЧ облегчает подавление зеркального канала, но затрудняет реализацию высокодобротных фильтров для избирательности по соседнему каналу. Низкая ПЧ, напротив, упрощает фильтрацию соседних каналов, но требует более тщательного подавления зеркального канала на входе приемника. В приемниках с многократным преобразованием частоты используется несколько ПЧ для оптимизации этих параметров. Выбор оптимальной ПЧ требует глубокого анализа всех факторов, что является одной из ключевых задач инженера-проектировщика.

Селективные Цепи и Эффективная Фильтрация Сигналов

В мире, насыщенном электромагнитными волнами, способность радиоприемника выделить слабый полезный сигнал из моря помех и нежелательных излучений является фундаментальной. Эту задачу решают селективные цепи, которые, подобно высокоточным ситам, пропускают нужные частоты и отсеивают все остальное. От эффективности этих цепей напрямую зависят такие важнейшие характеристики приемника, как избирательность по соседнему и зеркальному каналам.

Преселекторы: Назначение и Требования

На самом входе любого радиоприемного устройства, сразу после антенны, располагаются входные цепи, более известные как преселекторы. Их роль многогранна и критически важна:

1. Ослабление нежелательных сигналов: Основная задача преселектора — обеспечить предварительную частотную фильтрацию. Он должен значительно ослаблять сигналы на зеркальном канале (частоте, которая при смешивании с гетеродином также попадает на промежуточную частоту) и на соседних каналах, а также на самой промежуточной частоте. Для современных SDR-��риемников типовые требования к подавлению зеркального канала могут превышать 60 дБ. Использование входных цепей с очень высокой добротностью, достигающей 3000-6000 и более, способствует эффективному подавлению этих помех.
2. Согласование импедансов: Преселектор согласует входное сопротивление приемника с волновым сопротивлением антенны или фидера, обеспечивая максимальную передачу мощности полезного сигнала от антенны к приемнику. Несогласование приводит к потерям сигнала и ухудшению чувствительности.

В приемниках с одинарным преобразованием частоты, основное ослабление зеркального канала достигается именно в преселекторе. Ослабление соседнего канала, хотя и частично обеспечивается преселектором, в основном происходит уже в усилителе промежуточной частоты (УПЧ).

Основные требования, предъявляемые к преселектору, включают:

• Требуемое перекрытие по частоте: Преселектор должен эффективно работать во всем диапазоне принимаемых частот, с учетом необходимого технологического запаса.
• Максимальный коэффициент передачи мощности: В рабочем диапазоне частот преселектор должен обеспечивать наименьшие потери сигнала и максимально возможный коэффициент передачи мощности, при этом колебания этого коэффициента должны быть минимальны.
• Требуемое ослабление сигналов на зеркальной и промежуточной частотах: Как уже упоминалось, это ключевой параметр, определяющий способность приемника игнорировать нежелательные сигналы.

Типы Фильтров Основной Избирательности

После преселектора, основная задача по формированию избирательности ложится на фильтры, работающие на промежуточной частоте. Именно здесь формируется окончательная полоса пропускания, определяющая способность приемника различать полезный сигнал от близкорасположенных помех. Для этой цели применяются различные типы фильтров:

• Активные RC-фильтры: Используют резисторы, конденсаторы и активные элементы (операционные усилители) для создания частотно-избирательных цепей. Они позволяют избежать использования индуктивностей, что упрощает их интеграцию, но часто имеют ограничения по рабочей частоте и добротности.
• LC-фильтры: Классические фильтры, состоящие из индуктивностей (L) и конденсаторов (C). Обладают хорошими характеристиками, но громоздки на низких частотах и могут быть подвержены температурной нестабильности.
• Фильтры на переключаемых конденсаторах (Switched-Capacitor Filters): Используют конденсаторы и электронные ключи, переключаемые с высокой частотой, для эмуляции резисторов. Применяются в низкочастотных трактах и ЦОС.
• Электромеханические фильтры: Основаны на механических резонансных элементах, обладают очень высокой добротностью и крутизной склонов АЧХ, но дороги и чувствительны к механическим воздействиям.
• Кварцевые фильтры: Используют пьезоэлектрический эффект в кварцевых резонаторах. Обладают исключительно высокой добротностью, достигающей (20–25)·10³ для ненагруженного резонатора. Это делает их идеальными для формирования узких полос пропускания и высокой избирательности в УПЧ. Отличаются прекрасной температурной стабильностью.
• Фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ-фильтры): Являются одним из самых распространенных типов фильтров в современных РПрУ, особенно в УПЧ, благодаря их уникальным свойствам. Они обладают:
  • Низкими вносимыми потерями: Типичные значения составляют 1–5 дБ.
  • Высокой избирательностью: Могут достигать 80–90 дБ для микросборок.
  • Компактностью и надежностью.
  • Линейной фазовой характеристикой: Это особенно ценно для систем с цифровыми видами модуляции, где искажения фазы могут привести к ошибкам.
  • Высокой температурной стабильностью: Типичный температурный коэффициент частоты (ТКЧ) составляет около -0,3·10^-6 1/°C.

ПАВ-фильтры могут быть как сверх-узкополосными (работают в диапазоне 70–1000 МГц с полосой пропускания 0,05–0,2% и потерями 3–8 дБ, обеспечивая избирательность до 60–70 дБ), так и узкополосными (400–3200 МГц с полосой пропускания 2–3% и потерями 1,2–4,0 дБ).

При расчете фильтра основной избирательности широко применяются стандартные методы расчета полосовых фильтров, основанные на аппроксимациях амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) по Баттерворту и Чебышеву.

• Фильтры Баттерворта обеспечивают максимально плоскую АЧХ в полосе пропускания, что минимизирует искажения сигнала, но имеют относительно пологий спад за ее пределами.
• Фильтры Чебышева характеризуются более крутым спадом АЧХ, что обеспечивает лучшее подавление мешающих сигналов, но при этом имеют пульсации в полосе пропускания. Выбор между ними зависит от конкретных требований к качеству сигнала и избирательности.

Важным параметром фильтра является его добротность (Q), которая определяется как отношение резонансной частоты (f₀) к полосе пропускания (Δf):

Q = f0 / Δf

Фильтры также классифицируются по типу пропускаемых частот:

• Фильтры нижних частот (ФНЧ): Пропускают частоты ниже частоты среза.
• Фильтры верхних частот (ФВЧ): Пропускают частоты выше частоты среза.
• Полосовые фильтры: Пропускают частоты в определенном диапазоне.
• Заградительные фильтры (режекторные): Подавляют частоты в определенном диапазоне.

Частота среза фильтра — это частота, на которой ослабление фильтра достигает -3 дБ в логарифмическом масштабе (или 0,707 от максимального значения в линейном масштабе). Этот параметр критически важен для определения границ полосы пропускания и эффективного подавления нежелательных частот.

Оптимизация Чувствительности Приемника в Современных Системах

В мире беспроводной связи, где сигналы могут ослабевать на тысячи километров, а полезная информация скрыта в шумах, чувствительность приемника становится одной из важнейших характеристик. Она определяет, насколько слабый сигнал способен принять устройство, чтобы извлечь из него требуемую информацию с приемлемым качеством. По сути, чувствительность — это граница между доступным и недоступным, между связью и ее отсутствием. Разве не это является ключевой целью любого разработчика?

Определение и Оценка Чувствительности

Чувствительность приемника определяется как минимальный уровень входного сигнала, необходимый для обеспечения заданного качества полученной информации. Это качество может быть оценено различными метриками, в зависимости от типа передаваемой информации:

• Битовая вероятность ошибки (BER — Bit Error Rate): Для цифровых систем связи это вероятность того, что бит, переданный по каналу, будет принят с ошибкой. Чем ниже BER, тем выше качество.
• Вероятность приема ошибочного сообщения (MER — Message Error Rate): Применяется, когда информация передается блоками или сообщениями.
• Отношение сигнал-шум (SNR — Signal-to-Noise Ratio): На входе демодулятора приемника это отношение мощности полезного сигнала к мощности шума. Чем выше SNR, тем легче демодулятору выделить полезную информацию.

Если чувствительность приемника ограничена внутренними шумами, ее можно оценить с помощью:

• Реальной или предельной чувствительности: Минимальный уровень сигнала, при котором приемник еще способен функционировать.
• Коэффициента шума (NF — Noise Figure): Величина, показывающая, насколько сильно приемник ухудшает отношение сигнал/шум по сравнению с идеальным (бесшумным) приемником.
• Шумовой температуры: Эквивалентная температура, при которой резистор генерирует то же количество шума, что и реальное устройство. В диапазоне СВЧ чувствительность приемника определяется в первую очередь шумами.

Реальная чувствительность радиоприемного устройства обычно рассчитывается на основе требуемого отношения сигнал/шум на выходе линейной части приемника. Ее можно выражать в единицах напряжения (например, микровольтах), мощности или энергии.

Современные приемники мобильной связи демонстрируют поразительную чувствительность. Например:

• Для стандарта LTE эталонные значения чувствительности варьируются от примерно -90 дБм до -104,7 дБм, в зависимости от частотного диапазона и ширины канала. Минимальный приемлемый уровень RSSI (Received Signal Strength Indicator) для абонентских терминалов LTE составляет около -85 дБм.
• Для базовых станций 5G NR типовые значения эталонной чувствительности находятся в диапазоне от -95,3 дБм до -101,8 дБм.
• В сетях GSM мобильные телефоны способны работать при уровнях сигнала порядка -103 дБм до -105 дБм.

Помимо реальной чувствительности, для общей оценки качества приемника служит предельная чувствительность, которая теоретически ограничена только тепловыми шумами на входе приемника.

Методы Оптимизации Чувствительности

Оптимизация чувствительности — это не просто желание сделать приемник «лучше», это инженерная необходимость для обеспечения надежной связи в условиях слабых сигналов и помех. Существуют несколько ключевых направлений для повышения чувствительности:

1. Увеличение усиления по высокой частоте (ВЧ) или промежуточной частоте (ПЧ): Чем выше общее усиление сигнала до демодуляции, тем легче выделить слабый сигнал из шума. Однако бесконечное увеличение усиления невозможно из-за риска самовозбуждения приемника и возникновения нелинейных искажений.
2. Обеспечение допустимого коэффициента шума и выбор первых каскадов: Именно первые каскады приемника (малошумящий усилитель — МШУ) оказывают наибольшее влияние на общий коэффициент шума всего тракта. Выбор высококачественных, малошумящих транзисторов и оптимизация их режимов работы в первых каскадах критически важны.
3. Оптимизация распределения усиления: Распределение коэффициента усиления по тракту должно быть таким, чтобы последующие каскады не вносили значительного дополнительного шума. Усиление транзистора (до 35-40 по напряжению) достигается на участке с линейной характеристикой усиления. Работа в режиме отсечки коллекторного тока, например, приводит к возникновению значительных искажений и нежелательных шумов.

Для цифровой связи оценка чувствительности имеет свои особенности. Она проводится после того, как определена необходимая величина отношения сигнал/шум на выходе радиоприемного тракта, исходя из требуемой величины параметра BER. То есть, приемник считается чувствительным, если он способен обеспечить заданную низкую вероятность ошибки при минимальном уровне входного сигнала. Это требует тщательного баланса между усилением, шумовыми характеристиками и алгоритмами цифровой обработки сигнала.

Усиление, Автоматическая Регулировка Усиления (АРУ) и Динамический Диапазон

Радиосигналы, достигающие приемника, могут сильно различаться по своей мощности — от крайне слабых, едва различимых на фоне шумов, до чрезвычайно сильных. Задача приемника — не только уловить эти сигналы, но и обработать их таким образом, чтобы на выходе всегда поддерживался оптимальный уровень для демодуляции и дальнейшего использования. Здесь на сцену выходят концепции усиления и Автоматической Регулировки Усиления (АРУ).

Принципы Распределения Усиления

Усиление сигнала в радиоприемнике распределяется по нескольким каскадам, работающим на разных частотах. Как правило, это:

• Усилитель высокой частоты (УВЧ): Усиливает сигнал до преобразования частоты.
• Усилитель промежуточной частоты (УПЧ): Обеспечивает основное усиление и фильтрацию сигнала на фиксированной промежуточной частоте.

Распределение коэффициента усиления по трактам ВЧ и ПЧ является критически важным для оптимизации таких параметров, как чувствительность, избирательность и динамический диапазон. Например, слишком большое усиление на ВЧ может привести к перегрузке первых каскадов и ухудшению интермодуляционных характеристик.

Наибольшее усиление транзистора, достигающее 35-40 по напряжению, обеспечивается на участке с линейной характеристикой усиления. Работа транзисторов в нелинейных режимах (например, в режиме отсечки коллекторного тока) приводит к возникновению значительных искажений, появлению нежелательных гармоник и интермодуляционных продуктов, что существенно ухудшает качество принимаемого сигнала и может маскировать слабые полезные сигналы.

Автоматическая Регулировка Усиления (АРУ)

Автоматическая регулировка усиления (АРУ) — это одна из ключевых систем, обеспечивающих стабильную и качественную работу радиоприемника в условиях изменяющегося уровня входного сигнала. Ее основное назначение — поддерживать относительно постоянное выходное напряжение УПЧ, несмотря на изменения уровня сигнала на входе приемника. Это позволяет:

• Адаптировать приемник к быстрым изменениям помеховой обстановки: Например, при появлении сильных импульсных помех.
• Компенсировать изменения условий распространения радиосигналов: Замирания, вызванные многолучевым распространением или движением приемника, могут приводить к резким колебаниям уровня сигнала.

Принцип работы АРУ прост: если сигнал на входе приемника изменяется в широких пределах (например, в 10⁵ раз), а на выходе УПЧ допустимо лишь небольшое изменение напряжения (например, в 2 раза), то коэффициент усиления по напряжению в цепи АРУ должен изменяться обратно пропорционально, то есть в 5·10⁴ раз.

Наиболее распространенными способами регулирования усиления являются:

• Изменение крутизны прямой передачи активных элементов: Это достигается путем изменения режима по постоянному току (режимная или активная АРУ). Например, в транзисторных каскадах изменение напряжения на базе (для биполярных) или затворе (для полевых) изменяет рабочую точку и, как следствие, коэффициент усиления.
• Использование управляемых аттенюаторов: В современных ИС часто применяются электронно-управляемые аттенюаторы, расположенные до или между каскадами усиления.
• Регулирование напряжения на управляющих электродах активных элементов: Этот метод схож с изменением крутизны, но может быть реализован более точно и быстро.

Типовая структурная схема приемника с системой АРУ включает:

• Детектор АРУ: Формирует постоянное напряжение, величина которого пропорциональна уровню входного сигнала (или выходного сигнала УПЧ).
• Фильтр АРУ: Сглаживает пульсации регулирующего напряжения, преобразуя его в плавно меняющееся управляющее напряжение.

К фильтру АРУ предъявляются особые требования: он должен быть инерционным к огибающей несущей частоты, которая изменяется по закону модулирующего напряжения, чтобы предотвратить искажения полезной информации. Одновременно он должен быть безинерционным к среднему уровню сигнала, который изменяется по случайному закону, совпадающему с замиранием сигнала в пространстве.

Это означает, что фильтр АРУ должен иметь избирательную постоянную времени:

• Достаточно большую, чтобы не реагировать на быстрые изменения огибающей, вызванные модуляцией. Это предотвращает возникновение искажений, особенно при работе с AM и SSB сигналами.
• Достаточно малую, чтобы оперативно отслеживать медленные изменения среднего уровня сигнала, связанные с замираниями и движением абонента.

Для сигналов SSB и AM часто применяют быстрый или средний режим работы АРУ, чтобы быстро реагировать на пики сигнала и предотвратить перегрузку. Для цифровых видов связи, где важна стабильность уровня сигнала для демодулятора, предпочтительнее медленный режим или даже фиксированное усиление.

При большом уровне внешних помех может возникнуть ситуация, когда сильные помехи вызывают срабатывание АРУ, снижая усиление приемника и маскируя слабый полезный сигнал. Для борьбы с этим вводится АРУ по помехам (АРУП), которая уменьшает усиление первых каскадов, чтобы ослабить влияние нелинейных явлений и интермодуляционных искажений.

Внедрение схемы АРУ существенно увеличивает динамический диапазон приемника — диапазон уровней входного сигнала, при которых приемник сохраняет работоспособность и обеспечивает требуемое качество. Это позволяет приемнику одинаково эффективно работать как со слабыми, так и с мощными сигналами, что является критически важным для универсальных систем связи.

В связных приемниках, предназначенных для приема CW и SSB сигналов, АРУ должна обладать «памятью» максимального уровня сигнала в течение некоторого времени и сравнительно небольшим временем установления, чтобы эффективно реагировать на короткие импульсы и пики в речи.

Современные Технологии: Интегральные Микросхемы и Цифровая Обработка Сигналов в РПрУ

Эпоха дискретных компонентов в радиотехнике постепенно уступает место царству интегральных микросхем (ИМС) и цифровой обработке сигналов (ЦОС). Эти технологии стали движущей силой эволюции радиоприемных устройств, позволив создавать компактные, высокопроизводительные и многофункциональные системы, характеристики которых были бы недостижимы при использовании исключительно аналоговых методов.

Роль Интегральных Микросхем

Современные РПрУ конструктивно выполняются не только из отдельных активных и пассивных элементов с печатным или объемным монтажом, но и в значительной степени из готовых интегральных микросхем. Эти ИМС представляют собой целые каскады �� узлы приемников, интегрированные на одном кристалле. Это могут быть:

• Полные радиоприемные тракты на кристалле (Radio-on-Chip): Включают в себя УВЧ, смесители, гетеродины, УПЧ, демодуляторы и АЦП.
• Специализированные ИМС: Малошумящие усилители (МШУ), смесители, фильтры на ПАВ, синтезаторы частот, АЦП с высокой частотой дискретизации.

Применение ИМС значительно упрощает конструкцию, сокращает размеры и стоимость устройств, повышает надежность и воспроизводимость параметров, поскольку сложные схемы уже спроектированы, протестированы и оптимизированы производителем.

Принципы Цифровой Обработки Сигналов (ЦОС)

Если интегральные микросхемы оптимизируют аппаратную реализацию, то цифровая обработка сигналов (ЦОС) — это философия, лежащая в основе функциональности современных радиоприемников. С развитием цифровых технологий все большее внимание уделяется построению радиоприемных трактов с применением ЦОС, что привело к появлению концепции Программно-Определяемого Радио (SDR).

Технология SDR основывается на возможности оцифровки радиосигнала в реальном времени и его последующей обработке с использованием программных или аппаратных цифровых средств, таких как:

• Цифровые сигнальные процессоры (ЦСП — DSP): Специализированные микропроцессоры, оптимизированные для выполнения математических операций, характерных для обработки сигналов (фильтрация, преобразование Фурье).
• Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС — FPGA): Позволяют реализовать высокоскоростные параллельные алгоритмы обработки сигналов, обеспечивая гибкость и высокую производительность.

ЦОС повсеместно применяется в радиоприемных устройствах, позволяя создавать устройства с характеристиками, которые трудно или невозможно достичь аналоговыми методами. Ключевые преимущества ЦОС:

• Беспрецедентная гибкость: Возможность реализации различных видов демодуляции (CW, LSB, USB, AM, FM, а также сложных цифровых режимов, таких как DRM) путем простой смены программного обеспечения.
• Высокая перегрузочная способность: Цифровые системы менее подвержены нелинейным искажениям при сильных сигналах, чем аналоговые.
• Низкие потери: Цифровые фильтры не имеют таких вносимых потерь, как их аналоговые аналоги.
• Улучшенные фильтрующие свойства: Возможность создания фильтров с практически идеальной прямоугольной АЧХ и фазовой характеристикой.
• Стабильность параметров: Цифровые системы менее чувствительны к температурным изменениям и старению компонентов.

В зависимости от частоты и ширины спектра принимаемого сигнала, цифровая обработка в приемнике может использоваться как непосредственно по радиочастоте (прямая оцифровка RF), так и после переноса сигнала на фиксированную промежуточную частоту (оцифровка IF).

В большинстве цифровых радиоприемных устройств выполняется перенос спектра сигнала в область нулевых частот с формированием квадратурных (I, Q) составляющих. Это ключевой шаг в цифровой обработке полосовых сигналов, позволяющий эффективно работать с ними как с комплексными низкочастотными сигналами. Сигналы I (синфазная) и Q (квадратурная) содержат всю информацию об амплитуде и фазе исходного радиочастотного сигнала.

Значительный прогресс в схемотехнике аналого-цифровых преобразователей (АЦП) стал катализатором развития ЦОС в РПрУ. Современные решения, такие как RFSoC, предлагают 16-битные АЦП с частотой дискретизации до 5 Гвыборок/с (GSPS). Это позволяет:

• Оцифровывать сигнал на высоких промежуточных частотах: Устраняя необходимость в нескольких каскадах преобразования частоты и аналоговых фильтрах.
• Выполнять квадратурное преобразование цифровым способом: После оцифровки сигнала на ПЧ, формирование I и Q составляющих, а также дальнейшая фильтрация и демодуляция, реализуются исключительно в цифровой области.

Хотя оцифровка сигнала на ПЧ существенно упрощает структуру аналоговой части радиоприемного тракта, она одновременно повышает требования к его цифровым компонентам. В частности, к АЦП, генераторам и синтезаторам тактовых частот предъявляются высочайшие требования по точности, стабильности и низкому уровню шумов из-за увеличения частоты дискретизации. Тем не менее, преимущества гибкости и производительности ЦОС перевешивают эти сложности, делая ее неотъемлемой частью современных систем радиосвязи.

Проектирование и Моделирование Радиоприемных Устройств с Применением САПР

Проектирование радиоприемных устройств (РПрУ) — это сложный многоступенчатый процесс, требующий глубоких знаний, тщательных расчетов и постоянной оптимизации. В современном инженерном мире, где требования к производительности, компактности и экономичности постоянно растут, невозможно представить себе эффективное проектирование без использования передовых инструментов. Именно здесь на помощь приходят компьютерное моделирование и системы автоматизированного проектирования (САПР).

Этапы Проектирования РПрУ

Проектирование РПрУ обычно включает в себя несколько ключевых этапов:

1. Эскизное проектирование: На этом этапе формируется общая концепция устройства, выбирается структурная схема (например, супергетеродин или SDR), определяются основные характеристики и параметры, необходимые для выполнения поставленной задачи. Проводятся предварительные расчеты для оценки реализуемости и основных технических решений.
2. Электрическое проектирование: Наиболее детализированный этап, на котором разрабатываются принципиальные электрические схемы всех узлов, производится выбор элементной базы, рассчитываются номиналы компонентов, а также определяются режимы работы активных элементов.

Методы проектирования охватывают широкий спектр задач, включая расчет:

• Входных цепей (преселекторов): Определение полосы пропускания, добротности, коэффициента передачи и согласования импедансов.
• Усилителей радио- и промежуточной частоты (УРЧ, УПЧ): Расчет коэффициентов усиления, полос пропускания, шумовых характеристик, устойчивости.
• Преобразователей частоты (смесителей и гетеродинов): Выбор оптимального режима работы, подавление побочных продуктов преобразования.
• Детекторов: Расчет эффективности демодуляции для различных типов сигналов.
• Амплитудных ограничителей: Для защиты от перегрузок и формирования стабильной амплитуды сигнала в ЧМ-приемниках.
• Систем автоматической и ручной регулировки: Разработка схем АРУ, АРУП, их фильтров и управляющих цепей.

Компьютерное Моделирование и Системы Автоматизированного Проектирования (САПР)

Внедрение компьютерного моделирования и САПР стало революционным шагом в радиотехническом проектировании. Эти инструменты позволяют существенно снизить затраты времени на разработку конечного изделия и значительно повысить его качество.

Преимущества использования САПР:

• Сокращение трудоемкости и сроков: Автоматизация рутинных расчетов и построения схем.
• Снижение себестоимости: Уменьшение количества натурных прототипов и испытаний.
• Повышение качества и технико-экономического уровня: Возможность быстрого сравнения различных вариантов, оптимизации параметров и выявления потенциальных проблем на ранних стадиях.

Одной из ведущих российских разработок в этой области является САПР «ГАММА». Это мощный программный комплекс автоматизированного проектирования и электродинамического моделирования сложных высокочастотных радиоэлектронных систем. Его функционал охватывает широкий спектр задач:

• Трехмерное электромагнитное моделирование: С использованием таких методов, как метод конечных элементов (FEM) и метод конечных разностей во временной области (FDTD). Это позволяет точно анализировать распространение электромагнитных волн в сложных структурах.
• Проектирование и анализ антенных систем: Включая фазированные антенные решетки, антенны UWB (сверхширокополосные), LTE MIMO и 5G.
• Моделирование ВЧ и СВЧ печатных плат и элементов СВЧ-цепей: С учетом всех паразитных эффектов и взаимных влияний.
• Анализатор радиочастотных цепей: С частотным анализом, автоматической оптимизацией и работой с S-параметрами (параметрами рассеяния, описывающими поведение высокочастотных компонентов).
• Методы трассировки лучей: Для анализа распространения радиоволн на большие расстояния.
• Коммуникационный анализ: Для оценки производительности сетей LTE, Wi-Fi, 5G NR, а также расчет эффективной поверхности рассеяния (ЭПР).
• Высокопроизводительные вычисления (HPC): С ускорением на видеокартах для обработки больших объемов данных.
• Параметрическая оптимизация: Автоматический поиск наилучших параметров для достижения заданных характеристик.

САПР позволяют моделировать не только печатные платы с использованием моделей элементов из каталогов поставщиков, но и проводные соединения между контактами, учитывая их влияние на высокочастотные характеристики.

Помимо «САПР Гамма», существует ряд других известных САПР для электромагнитного моделирования СВЧ-устройств, таких как:

• FEKO: Универсальный инструмент для электромагнитного моделирования.
• µWave Wizard: Специализированное ПО для проектирования волноводных и СВЧ-компонентов.
• Sonnet: Отличается высокой точностью для планарных структур.
• AWR Microwave Office: Комплексный пакет для проектирования ВЧ/СВЧ цепей и систем.
• HFSS (High Frequency Structure Simulator): Мощный 3D электромагнитный симулятор.

Моделирование радиоприемного устройства с помощью этих САПР может быть направлено на оценку самых различных параметров, например, на точное определение подавления соседнего канала, что невозможно сделать с достаточной точностью без учета всех паразитных эффектов и взаимных влияний элементов на плате.

Заключение

В рамках данного комплексного руководства мы совершили глубокое погружение в мир проектирования и расчета радиоприемных устройств для систем радиосвязи. Мы начали с обзора фундаментальных архитектур — от классических приемников прямого усиления до современных супергетеродинов и инновационных систем программно-определяемого радио (SDR), выделив их ключевые преимущества и области применения. Особое внимание было уделено детальному анализу SDR как парадигмы, радикально меняющей подход к обработке сигналов благодаря возможностям цифровой обработки и высокопроизводительным АЦП.

Были подробно рассмотрены методики расчета критически важных параметров радиотракта, таких как полоса пропускания, учитывающая как ширину спектра сигнала, так и всевозможные нестабильности, а также промежуточная частота, выбор которой регламентируется строгими инженерными критериями и государственными стандартами. Мы изучили роль и особенности селективных цепей, от входных преселекторов до высокодобротных кварцевых и ПАВ-фильтров, определяющих избирательность приемника.

Отдельное внимание было уделено вопросам оптимизации чувствительности приемника, ее оценке в контексте современных цифровых систем связи (BER, SNR) и методам повышения. Не менее важным аспектом стало понимание принципов усиления сигнала и механизмов автоматической регулировки усиления (АРУ), обеспечивающей стабильную работу приемника в динамично меняющихся условиях распространения сигнала и помеховой обстановки.

Наконец, мы рассмотрели интеграцию современных технологий — от использования интегральных микросхем, упрощающих конструкцию, до принципов цифровой обработки сигналов, позволяющей реализовать функции, недостижимые аналоговыми методами. Подчеркнута роль современных систем автоматизированного проектирования (САПР), таких как «САПР Гамма», в ускорении разработки, повышении качества и снижении стоимости создания сложных радиоэлектронных систем.

Полученные знания и навыки, охватывающие как классические инженерные расчеты, так и передовые цифровые технологии и методы моделирования, позволят студенту успешно выполнить курсовой проект, сформировать глубокое понимание принципов работы РПрУ и подготовиться к решению реальных инженерных задач в области радиотехники и телекоммуникаций. Это руководство служит не только пособием для проекта, но и прочным фундаментом для дальнейшего профессионального развития в этой динамичной и востребованной отрасли.

Список использованной литературы

1. Весоловский, К. Системы подвижной радиосвязи / К. Весоловский ; пер. с польск. И.Д. Рудинского ; под ред. А.И. Ледовского. – М.: Горячая линия – Телеком, 2006. – 536 с.
2. Дингес, С.И. Схемотехника РЧ блоков систем связи с подвижными объектами: учебное пособие / С.И. Дингес. – М.: МТУСИ, 2005. – 32 с.
3. Коротков, А.С. Устройства приема и обработки сигналов. Микроэлектронные высокочастотные устройства радиоприемников систем связи: учебное пособие / А.С. Коротков. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. – 223 с.
4. Логвинов, В.В. Конспект лекций по дисциплине «Устройства приема и обработки радиосигналов в системах подвижной радиосвязи» / В.В. Логвинов, О.В. Матвеева. – М.: МТУСИ, 2010. – 107 с.
5. Логвинов, В.В. Схемотехника телекоммуникационных устройств, радиоприемные устройства систем мобильной и стационарной радиосвязи, теория электрических цепей. Лабораторный практикум – II на персональном компьютере / В.В. Логвинов, В.В. Фриск. – М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. – 656 с.
6. Перельман, Б.Л. Отечественные микросхемы и зарубежные аналоги: справочник / Б.Л. Перельман, В.В. Шевелёв. – М.: НТЦ Микротех, 1998.
7. Радиоприемные устройства / под ред. А.П. Жуковского. – М.: Высшая школа, 1997. – 342 с.
8. Радиоприемные устройства: учебник для вузов / Н.Н. Фомин [и др.] ; под ред. Н.Н. Фомина. – М.: Горячая линия – Телеком, 2007. – 520 с.
9. Радиосвязь / О.В. Головин [и др.] ; под ред. О.В. Головина. – М.: Горячая линия – Телеком, 2013. – 286 с.
10. Расчет полосковых фильтров на встречных стержнях: справочник / В.П. Леонченко [и др.]. – М.: Связь, 1975. – 312 с.
11. Скрынников, В.Г. Радиоподсистемы UMTS/LTE. Теория и практика / В.Г. Скрынников. – М.: Спорт и культура – 2000, 2012. – 864 с.
12. Тихвинский, В.О. Управление и качество услуг в сетях GPSR/UMTS / В.О. Тихвинский, С.В. Терентьев. – М.: Эко-Трендз, 2007. – 400 с.
13. Феер, К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра / К. Феер ; пер. с англ. ; под ред. В.И. Журавлева. – М.: Радио и связь, 2000. – 520 с.
14. Фриск, В.В. Теория электрических цепей, Схемотехника телекоммуникационных устройств, Радиоприемные устройства систем мобильной связи, Радиоприемные устройства систем радиосвязи и радиодоступа. Лабораторный практикум – III на персональном компьютере / В.В. Фриск, В.В. Логвинов. – М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2016. – 480 с.
15. 3GPP TS 25.101 V9.2.0 3rd Generation Partnership Project: Technical Specification Group Radio Access Network; User Equipment radio transmission and reception (TDD) (Release 9), 2010-03.
16. 3GPP TS 25.102 V9.2.0 3rd Generation Partnership Project: Technical Specification Group Radio Access Network; User Equipment (UE) radio transmission and reception (TDD) (Release 9), 2010-03.
17. 3GPP TS 26.071 V3.0.1 Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); Mandatory Speech Codec speech processing functions AMR Speech Codec; General Description (3GPP TS 26.071 version 3.0.1 Release 1999).
18. Чувствительность приемника. – URL: https://digteh.ru/WLL/ChuvstvPr.php (дата обращения: 02.11.2025).
19. Входной фильтр приемника. – URL: https://digteh.ru/WLL/VhFilter.php (дата обращения: 02.11.2025).
20. Проектирование радиоприемных устройств СВЧ: учебное пособие / Казанский государственный технический университет.
21. Автоматическая регулировка усиления (АРУ). – URL: https://digteh.ru/WLL/ARU.php (дата обращения: 02.11.2025).
22. Проектирование радиоприемных устройств на базе аналоговых блоков: учебно-методическое пособие / Уральский государственный технический университет.
23. Как выбирается промежуточная частота: Гомельский Государственный Технический Университет им. П.О. Сухого.
24. Фильтры основной избирательности. – URL: https://digteh.ru/WLL/OsnIzbFilter.php (дата обращения: 02.11.2025).
25. Чувствительность радиоприёмных устройств / Тульский государственный университет.
26. Оценка чувствительности радиоприемников c настроенными антеннами // КиберЛенинка (Известия ЮФУ. Технические науки.).
27. Цифровая обработка радиосигнала решения на основе СБИС АО «ПКК Миландр». – URL: https://milandr.ru/upload/iblocks/742/cifrovaya_obrabotka_radiosignala.pdf (дата обращения: 02.11.2025).
28. Чувствительность радиоприёмных устройств / Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР).
29. Разработка программного обеспечения для моделирования радиоэлектронных средств с у / Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР).
30. САПР Гамма — МЦД — Моделирование и Цифровые двойники. – URL: https://mcd-soft.ru/sapr-gamma (дата обращения: 02.11.2025).
31. Проектирование радиоэлектронной аппаратуры в SolidWorks // САПР и графика. – URL: https://sapr.ru/article/24185 (дата обращения: 02.11.2025).
32. Обзор САПР моделирования СВЧ-устройств // КиберЛенинка (Известия ЮФУ. Технические науки.).
33. Теория и применение цифровой обработки сигналов / Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники.