eng
Содержание
Введение.....................................................................................................10
Литература к введению....................................................................................12
ЧАСТЬ 1
ГЛАВА 1.
СТРУКТУРЫ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ПРИЕМНИКОВ СИСТЕМ СВЯЗИ......................................................14
1.1.
Структурные схемы приемников..........................................................14
1.2.
Основные характеристики приемников...............................................19
1.3.
Особенности построения гомодинных
приемников...........................................................................................25
1.3.1.
Формирование однополосного сигнала....................................................25
1.3.2.
Эффект просачивания сигнала гетеродина
в гомодинном приемнике...........................................................................26
1.3.3.
Эффект рассогласования каналов в гомодинном приемнике..................28
1.3.4.
Нелинейные искажения в гомодинном приемнике..................................29
1.3.5.
Фликкерные шумы в гомодинном приемнике..........................................30
1.4.
Приемники с преобразованием на низкую
промежуточную частоту........................................................................31
1.5.
Особенности построения многофункциональных
радиоприемников..................................................................................34
1.6.
Особенности технологической реализации
микросхемы приемников......................................................................39
Библиографический список к главе 1.............................................................40
ГЛАВА 2.
ПРЕСЕЛЕКТОР РАДИОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА.......................43
2.1.
Входные цепи .......................................................................................43
2.1.1.
Назначение и характеристики входных цепей..........................................43
2.1.2.
Эквивалентные схемы антенных цепей.....................................................45
2.1.3.
Основные типы входных цепей.................................................................46
2.1.4.
Анализ обобщенной схемы входной цепи ................................................47
2.1.5.
Режимы работы входной цепи...................................................................51
2.1.6.
Способы перестройки входной цепи.........................................................53
2.1.7.
Входные цепи с электронной настройкой.................................................55
2.2.
Резонансные усилители........................................................................56
2.2.1.
Назначение и характеристики резонансных усилителей..........................56
2.2.2.
Схемы резонансных усилителей и расчет по постоянному току..............58
4
Устройства приема и обработки сигналов:
Микроэлектронные высокочастотные устройства радиоприемников систем связи
2.2.3.
Коэффициент усиления и избирательность
резонансного усилителя............................................................................. 61
2.2.4.
Коэффициент шума усилителя радиочастоты с учетом
входной цепи (коэффициент шума преселектора).................................... 65
2.2.5.
Условия устойчивости резонансного усилителя........................................ 67
2.2.6.
Способы уменьшения внутренней обратной связи.................................. 70
2.2.7.
Линейные искажения в резонансных усилителях..................................... 74
2.2.8.
Нелинейные искажения в резонансных усилителях................................. 77
2.3.
Интегральные малошумящие усилители радиочастотного
диапазона...............................................................................................83
2.3.1.
Назначение и основные характеристики
малошумящих усилителей.......................................................................... 83
2.3.2.
Параметры рассеяния................................................................................. 84
2.3.3.
Условия устойчивости................................................................................ 86
2.3.4.
Согласование по импедансу....................................................................... 87
2.3.5.
Согласование по шумам............................................................................. 90
2.4.
Обзор основных схемных решений малошумящих усилителей ......... 92
2.4.1.
Основные классы радиочастотных усилителей
на МОП-транзисторах................................................................................ 92
2.4.2.
Усилитель с общим истоком и индуктивной
отрицательной обратной связью по току................................................... 94
2.4.3.
Каскодный усилитель и методы компенсации эффекта Миллера........... 95
2.4.4.
Многодиапазонные усилители................................................................... 98
2.4.5.
Широкополосные усилители....................................................................101
2.5.
Методика и пример расчета малошумящего усилителя.................... 104
2.5.1.
Методика расчета усилителя.................................................................... 104
2.4.2.
Пример расчета усилителя....................................................................... 108
2.6.
Расчет микроэлектронных индуктивностей...................................... 110
Библиографический список к главе 2........................................................... 115
ГЛАВА 3.
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ......................... 117
3.1.
Назначение и основные характеристики
преобразователей частоты.................................................................. 117
3.2.
Классификация преобразователей частоты....................................... 119
3.3.
Коэффициент передачи обобщенной
схемы преобразователя частоты......................................................... 126
3.4.
Схемные решения преобразователей и смесителей частоты............ 128
3.5.
Анализ схемы смесителя частоты Гильберта
по переменному току.......................................................................... 134
3.6.
Анализ и расчет схемы смесителя частоты Гильберта
по постоянному току........................................................................... 139
3.7.
Анализ шумов схемы преобразователя частоты................................. 142
3.7.1.
Эквивалентная шумовая схема преобразователя частоты...................... 142
3.7.2.
Шум входного каскада.............................................................................. 143
5
Содержание
3.7.3.
Шум сопротивления нагрузки.................................................................144
3.7.4.
Шум каскада гетеродина..........................................................................144
3.7.5.
Шум внутреннего сопротивления источника гетеродина......................146
3.8.
Анализ нелинейных искажений в схеме
преобразователя частоты....................................................................147
3.9.
Уровень развязки между входами преобразователя частоты.............150
3.10.
Методика и пример расчета преобразователя частоты......................151
3.11.
Нелинейные эффекты в преобразователях частоты..........................156
3.12.
Двойное преобразование частоты......................................................158
3.13.
Выбор промежуточной частоты..........................................................161
3.14.
Гетеродин ............................................................................................162
Библиографический список к главе 3...........................................................163
ГЛАВА 4.
ГЕНЕРАТОР, УПРАВЛЯЕМЫЙ НАПРЯЖЕНИЕМ...........................167
4.1.
Назначение и основные характеристики
генератора, управляемого напряжением............................................167
4.2.
Анализ и расчет схемы автогенератора..............................................167
4.3.
Перестройка частоты автогенератора................................................172
4.4.
Анализ фазовых шумов автогенератора.............................................175
4.4.1.
Линейная стационарная модель фазовых шумов....................................175
4.4.2.
Линейная нестационарная модель фазовых шумов................................182
4.5.
Методика и пример расчета автогенератора......................................186
Библиографический список к главе 4...........................................................189
ГЛАВА 5.
СИНТЕЗАТОРЫ ЧАСТОТ НА ОСНОВЕ
СИСТЕМЫ ФАПЧ..............................................................................191
5.1.
Назначение и основные характеристики
синтезаторов частот............................................................................191
5.2.
Уравнение синтезатора частоты
с целочисленным коэффициентом деления......................................192
5.3.
Синтезаторы частот с дробным делением частоты
на основе дельта-сигма-модуляторов.................................................198
5.3.1.
Принцип работы синтезатора частот
с дробным делением частоты....................................................................198
5.3.2.
Особенности синтезаторов частот на основе
дельта-сигма-модулятора.........................................................................200
5.4.
Реализация основных блоков синтезаторов частот...........................203
5.4.1.
Фазовый детектор.....................................................................................203
5.4.2.
Фильтр нижних частот..............................................................................206
5.4.3.
Делитель частоты......................................................................................209
5.5.
Расчет основных параметров синтезатора частот..............................209
5.6.
Методика расчета и моделирование синтезатора частот...................214
5.6.1.
Методика расчета синтезатора частот.....................................................214
6
Устройства приема и обработки сигналов:
Микроэлектронные высокочастотные устройства радиоприемников систем связи
5.6.2.
Моделирование синтезатора частот......................................................... 216
5.6.3.
Моделирование синтезатора частот с учетом фазовых шумов............... 225
5.6.4.
Пример расчета синтезатора частот
с целочисленным коэффициентом деления............................................ 230
5.6.5.
Пример расчета синтезатора частот
с дробным коэффициентом деления ...................................................... 232
Библиографический список к главе 5........................................................... 236
ЧАСТЬ 2
ГЛАВА 6.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ АНАЛИЗА И
СИНТЕЗА СВЧ-СМЕСИТЕЛЕЙ........................................................ 238
6.1.
Методы анализа смесителей............................................................... 238
6.1.1.
Общие сведения о методах анализа смесителей...................................... 238
6.1.2.
Анализ смесителей на основе матрицы преобразований........................ 240
6.1.3.
Анализ смесителей на биполярных транзисторах
по схеме Гильберта методом рядов Вольтерра......................................... 243
6.1.4.
Анализ смесителей на основе операторного метода
решения систем уравнений нелинейно-параметрических цепей.......... 244
6.2.
Методы параметрической оптимизации смесителей........................ 247
Библиографический список к главе 6........................................................... 249
ГЛАВА 7.
АНАЛИЗ И ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ
ДИОДНЫХ СХЕМ СМЕСИТЕЛЕЙ.................................................... 251
7.1.
Анализ диодных смесителей на основе
линеаризованной параметрической модели...................................... 251
7.1.1.
Представление тока через нелинейный
элемент (диод) в линейном приближении.............................................. 251
7.1.2.
Методика анализа передаточных характеристик
диодных смесителей методом узловых
потенциалов в обобщенном матричном виде.......................................... 254
7.1.3.
Анализ и параметрическая оптимизация балансной, двойной
балансной и тройной балансной схем диодных смесителей.................. 259
7.1.4.
Анализ эффектов рассогласования
в балансных структурах диодных смесителей......................................... 264
7.1.5.
Методы анализа нелинейных искажений смесителей............................ 266
7.1.6.
Представление третьей гармоники тока через
нелинейный элемент (диод) в линейном приближении......................... 267
7.1.7.
Методика нелинейного анализа диодных смесителей
методом узловых потенциалов в обобщенном матричном виде............. 269
7.1.8.
Анализ нелинейных искажений методом рядов Вольтерра.................... 270
7.1.9.
Анализ шумов в диодных смесителях...................................................... 272
7.2.
Анализ диодных смесителей на основе параметрической
модели с учетом емкостей диодов......................................................278
7.2.1.
Представление тока через нелинейный элемент (диод)
с учётом параметрической ёмкости модели............................................278
7.2.2.
Анализ передаточных свойств и параметрическая оптимизация
балансной, двойной балансной и тройной балансной схем диодных
смесителей с учётом параметрической ёмкости модели диода..............281
7.2.3.
Анализ эффектов рассогласования в балансных структурах
диодных смесителей с учётом параметрической ёмкости......................285
7.2.4.
Анализ полосы пропускания диодных смесителей.................................291
7.2.5.
Анализ нелинейных искажений в диодных смесителях
с учётом параметрической ёмкости методом рядов Вольтерра..............292
7.2.6.
Анализ шумов в диодных смесителях с учётом
параметрической ёмкости........................................................................300
7.3.
Пример расчета, моделирование и эксперимент...............................302
Библиографический список к главе 7...........................................................308
ГЛАВА 8.
АНАЛИЗ И ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ
ОПТИМИЗАЦИЯ СМЕСИТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ
ТРАНЗИСТОРОВ В ДИОДНОМ ВКЛЮЧЕНИИ................................310
8.1.
Анализ транзисторных смесителей на основе
линеаризованной параметрической модели......................................310
8.1.1.
Представление тока через нелинейный
элемент (транзистор) в линейном приближении....................................310
8.1.2.
Анализ передаточных свойств транзисторных схем смесителей:
балансной, двойной балансной и тройной балансной...........................312
8.1.3.
Анализ нелинейных искажений методом рядов Вольтерра....................313
8.1.4.
Анализ шумов в транзисторных схемах смесителей...............................315
8.2.
Методика параметрической оптимизации
транзисторных смесителей.................................................................316
8.2.1.
Оптимизация смесителя по критерию максимизации
коэффициента передачи: расчет оптимального
напряжения смещения.............................................................................316
8.2.2.
Оптимизация смесителя по критерию максимизации
коэффициента передачи: расчет оптимального
значения ширины затвора транзистора...................................................317
8.2.3.
Оптимизация смесителя по критерию минимизации
нелинейных искажений: расчет оптимального
напряжения смещения.............................................................................318
8.3.
Анализ транзисторных смесителей на основе
параметрической модели с учетом емкостей транзисторов..............319
8.3.1.
Анализ передаточных свойств транзисторных схем смесителей............319
8.3.2.
Анализ нелинейных искажений в транзисторных смесителях
с учётом параметрической ёмкости методом рядов Вольтерра..............322
7
Содержание
8
Устройства приема и обработки сигналов:
Микроэлектронные высокочастотные устройства радиоприемников систем связи
8.3.3.
Анализ шумов в транзисторных смесителях
с учётом параметрической ёмкости......................................................... 324
8.4.
Пример расчета и моделирование...................................................... 326
8.4.1.
Расчет и моделирование без процедуры
параметрической оптимизации............................................................... 326
8.4.2.
Расчет и моделирование на основе процедуры
параметрической оптимизации............................................................... 329
Библиографический список к главе 8........................................................... 334
Приложение 1.
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ШУМОВ..................................................................335
П.1.1. Математические основы описания шумов........................................ 335
П.1.2. Спектральная плотность случайного процесса.................................. 338
П.1.3. Линейное преобразование случайного процесса............................... 342
П.1.4. Эквивалентные шумовые схемы двух- и трехполюсников................ 343
Приложение 2.
СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОЙ
РЕГУЛИРОВКИ УСИЛЕНИЯ..................................................................346
П.2.1. Назначение и основные характеристики системы
автоматической регулировки усиления.............................................. 346
П.2.2. Классификация систем автоматической
регулировки усиления......................................................................... 347
П.2.3. Уравнение системы автоматической
регулировки усиления......................................................................... 350
Приложение 3.
АНАЛОГОВЫЙ ФАЗОВЫЙ ДЕТЕКТОР..................................................353
П.3.1. Назначение и основные характеристики фазовых детекторов......... 353
П.3.2. Анализ схемы фазового детектора...................................................... 354
Приложение 4.
НЕЛИНЕЙНАЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ
МОДЕЛЬ ДИОДА.....................................................................................357
П.4.1. Коэффициенты ряда Фурье нелинейной
проводимости диода............................................................................ 357
П.4.2. Первая гармоника тока диода в частотной области........................... 359
П.4.3. Составляющая тока, обусловленная эффектом
просачивания сигнала гетеродина на выход...................................... 360
П.4.4. Коэффициенты ряда Фурье второй производной
нелинейной проводимости диода....................................................... 362
П.4.5. Третья гармоника тока диода в частотной области............................ 364
П.4.6. Третья гармоника тока диода в частотной области с учетом
параметрической емкости..................................................................366s
9
Приложение 5.
ФОРМИРОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
В БАЗИСЕ УЗЛОВЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ..................................................373
П.5.1. Правила формирования матрицы узловых потенциалов.................. 373
П.5.2. Основные свойства и расчет передаточных функций
в частотной области............................................................................ 377
Приложение 6.
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
И ПРОЕКТИРОВАНИЕ В САПР ADS......................................................380
П.6.1. Введение в САПР ADS, работа в редакторе....................................... 380
П.6.2. Анализ смесителя во временной области........................................... 388
П.6.3. Анализ смесителя в частотной области
с использованием метода гармонического баланса........................... 392
П.6.4. Анализ шумов смесителя.................................................................... 397
Введение
Внедрение микроэлектронных технологий, методов цифровой обработки
сигналов, модернизация электронной компонентной базы определяют пер-
спективы развития теории и практики радиоприемных устройств. Спрос
и бурный рост объемов продаж систем связи во многом стимулируют даль-
нейшие исследования и, следовательно, совершенствование как техноло-
гий и методик, так и схемотехники устройств. Доминирующим типом ар-
хитектуры радиоприемника наиболее практически значимых радиосистем
стандартов GSM передачи речи и WCDMA передачи данных и речи мобиль-
ной связи, WLAN на основе протоколов IEEE 802.11 a/b/g скоростного до-
ступа в Internet, Bluetooth для низкоскоростной передачи данных на малые
расстояния является так называемый гомодинный приемник с однократ-
ным преобразованием входного сигнала в область низких частот, в пределе
на постоянный ток. Основное преимущество приемников данных классов –
отсутствие высокоизбирательных устройств частотной селекции в тракте
промежуточных частот, что позволяет перейти к реализации полностью ин-
тегральной системы на кристалле. Как правило, современные системы инте-
грируют на кристалле как аналоговую, так и цифровую части, которые реали-
зуются в виде полностью заказной микросхемы.
Основное внимание в предлагаемой книге уделяется построению высо-
кочастотной части приемника, которая включает усилитель радиочастоты,
гетеродин, смесители. Рассматриваются реализации на основе технологии
металл – оксид – полупроводник (МОП-технологии), поскольку МОП-
технология является доминирующей в технике цифровых и аналого-циф-
ровых устройств. Представляется, что именно в этом направлении в тече-
ние последних лет сложился серьезный разрыв между требованиями про-
мышленности, которые сформировались в условиях рыночной экономики,
и уровнем развития отечественной науки. В книге сделана попытка воспол-
нить данный пробел. Учитывая наличие большого числа учебных материа-
лов по теме [см., например, В.1–В.8], не было необходимости в изложении
общих основ приема радиосигналов. Как следствие, целесообразно отме-
тить общий практический характер изложения. Приводятся конкретные
методики расчетов схем и соответствующие примеры. Внимание уделено
не только собственно процедурам схемотехнической реализации, но и из-
учению шумовых, нелинейных и других свойств основных блоков радиопри-
емных устройств. Большая часть изложенного материала является результа-
том работы авторов в Санкт-Петербургском политехническом университете
Петра Великого и используется в учебном курсе «Устройства приема и обра-
ботки сигналов». В целом первая часть данного издания является развитием
и обобщением результатов, изложенных в пособии [В.9]. При подготовке кни-
ги использованы результаты диссертационных работ Е.В. Балашова в главе 2
Введение 11
и Д.Б. Ахметова в главе 5, выполненных под руководством А.С. Короткова.
Во второй части излагаются основы теории анализа передаточных, нелиней-
ных и шумовых характеристик смесителей на диодах и транзисторах в диод-
ном включении в обобщенном матричном виде в частотной области, а также
методика оптимального параметрического синтеза смесителей по критериям
максимизации коэффициента передачи, минимизации нелинейных искаже-
ний, что явилось результатом диссертационной работы О.А. Головань также
под руководством А.С. Короткова.
Книга состоит из двух частей, содержащих главы 1–5 и главы 6–8 соот-
ветственно. После краткого введения в первой главе рассматриваются особен-
ности характеризации приемников, приводятся основные принципы постро-
ения гомодинных приемников с преобразованием на нулевую частоту, в том
числе известные сложности, возникающие при реализации, рассматриваются
вопросы построения многофункциональных приемников, дается краткий об-
зор перспективных технологических решений. Во второй главе излагаются ос-
новы синтеза высокочастотных малошумящих усилителей преселектора при-
емника. В третьей главе обсуждаются свойства преобразователей и вопросы
построения смесителей по схеме Гильберта. Представляется полный анализ
смесителя по переменному и постоянному току, анализ шумовых и нелиней-
ных свойств. Приводится пример расчета и моделирования схемы. Четвертая
и пятая главы посвящены формированию опорного колебания – гетеродина
приемника. Рассматривается построение автогенераторов, характеризация
фазовых шумов автогенераторов, приводятся основные положения теории
синтезаторов частот с целочисленным коэффициентом деления и с дробным
коэффициентом деления на основе дельта-сигма-модуляторов. В шестой гла-
ве представлен обзор существующих методов анализа и параметрической оп-
тимизации смесителей, выявлены их достоинства и определенные недостат-
ки. Седьмая и восьмая главы посвящены решению задачи параметрического
синтеза смесителей на диодах и транзисторах в диодном включении в целях
достижения максимального коэффициента передачи и минимального уровня
нелинейных искажений. Для этого разработана обобщенная методика анали-
за смесителей в частотной области с учетом параметров схемы, включающая
анализ передаточных, нелинейных и шумовых свойств. Проведен анализ ба-
лансной, двойной балансной и тройной балансной схем. Представлены ре-
зультаты расчета и моделирования. Для диодных схем смесителей приведе-
ны результаты эксперимента. Результаты первых пяти глав иллюстрируются
примерами компьютерного моделирования на основе пакета Micro-Cap,
результаты последующих глав – на основе пакета ADS.
12 Устройства приема и обработки сигналов:
Микроэлектронные высокочастотные устройства радиоприемников систем связи
Библиографический список к введению
В.1. Головин О.В. Устройства генерирования, формирования, приема и обработ-
ки сигналов: Учебное пособие для вузов. – М.: Горячая линия – Телеком,
2014. – 783 с.
В.2. Фомин Н.Н., Буга Н.Н., Головин О.В. Радиоприемные устройства: Учебник
для ВУЗов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2007. – 520 с.
В.3. Колосовский Е.А. Устройства приема и обработки сигналов. – М.: Горячая ли-
ния – Телеком, 2007. – 456 с.
В.4. Румянцев К.Е. Прием и обработка сигналов. – М.: Академия, 2007. – 525 с.
В.5. Радиоприемные устройства / Под ред. Н.Н.Фомина. – М.: Радио и связь,
1996. – 510 с.
В.6. Радиоприемные устройства / Под ред. А.П.Жуковского. – М.: Радио и связь,
1989. – 332 с.
В.7. Буга Н.Н., Фалько А.Н., Чистяков Н.И. Радиоприемные устройства. –
М.: Радио и связь, 1986. – 320 с.
В.8. Богданович Б.М. Нелинейные искажения в приемно-усилительных устрой-
ствах. – М.: Связь, 1980. – 280 с.
В.9. Коротков А.С. Устройства приема и обработки сигналов: микроэлектрон-
ные высокочастотные устройства радиоприемников систем связи. – СПб:
Изд-во Политехн. ун-та, 2010. – 223 с.
ЧАСТЬ 1
ГЛАВА 1
СТРУКТУРЫ И ОСНОВНЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ
ПРИЕМНИКОВ
СИСТЕМ СВЯЗИ
1.1. Структурные схемы приемников
Радиоприемное (приемное) устройство является неотъемлемой частью лю-
бой радиотехнической системы. Несмотря на многообразие радиоприемных
устройств, их связывает общность построения структурной схемы. Это позво-
ляет рассматривать радиоприемное устройство как совокупность отдельных
блоков независимо от его назначения. На рис. 1.1 в упрощенном виде изобра-
жена структурная схема радиотехнической системы. Назначение системы со-
стоит в том, чтобы с заданной точностью восстановить на выходе приемного
устройства передаваемое от датчика сообщение в условиях воздействия помех.
В свою очередь радиоприемное устройство может быть представлено
с помощью структурной схемы (рис. 1.2), назначение отдельных блоков ко-
торой определяется основными функциями, выполняемыми каждым радио-
приемным устройством.
Внедрение микроэлектронных технологий, методов цифровой обработки
сигналов, модернизация электронной компонентной базы определяют пер-
спективы развития теории и практики радиоприемных устройств. Спрос
и бурный рост объемов продаж систем связи во многом стимулируют даль-
нейшие исследования и, следовательно, совершенствование как техноло-
гий и методик, так и схемотехники устройств. Доминирующим типом ар-
хитектуры радиоприемника наиболее практически значимых радиосистем
стандартов GSM передачи речи и WCDMA передачи данных и речи мобиль-
ной связи, WLAN на основе протоколов IEEE 802.11 a/b/g скоростного до-
ступа в Internet, Bluetooth для низкоскоростной передачи данных на малые
расстояния является так называемый гомодинный приемник с однократ-
ным преобразованием входного сигнала в область низких частот, в пределе
на постоянный ток. Основное преимущество приемников данных классов –
отсутствие высокоизбирательных устройств частотной селекции в тракте
промежуточных частот, что позволяет перейти к реализации полностью ин-
тегральной системы на кристалле. Как правило, современные системы инте-
грируют на кристалле как аналоговую, так и цифровую части, которые реали-
зуются в виде полностью заказной микросхемы.
Основное внимание в предлагаемой книге уделяется построению высо-
кочастотной части приемника, которая включает усилитель радиочастоты,
гетеродин, смесители. Рассматриваются реализации на основе технологии
металл – оксид – полупроводник (МОП-технологии), поскольку МОП-
технология является доминирующей в технике цифровых и аналого-циф-
ровых устройств. Представляется, что именно в этом направлении в тече-
ние последних лет сложился серьезный разрыв между требованиями про-
мышленности, которые сформировались в условиях рыночной экономики,
и уровнем развития отечественной науки. В книге сделана попытка воспол-
нить данный пробел. Учитывая наличие большого числа учебных материа-
лов по теме [см., например, В.1–В.8], не было необходимости в изложении
общих основ приема радиосигналов. Как следствие, целесообразно отме-
тить общий практический характер изложения. Приводятся конкретные
методики расчетов схем и соответствующие примеры. Внимание уделено
не только собственно процедурам схемотехнической реализации, но и из-
учению шумовых, нелинейных и других свойств основных блоков радиопри-
емных устройств. Большая часть изложенного материала является результа-
том работы авторов в Санкт-Петербургском политехническом университете
Петра Великого и используется в учебном курсе «Устройства приема и обра-
ботки сигналов». В целом первая часть данного издания является развитием
и обобщением результатов, изложенных в пособии [В.9]. При подготовке кни-
ги использованы результаты диссертационных работ Е.В. Балашова в главе 2
Введение 11
и Д.Б. Ахметова в главе 5, выполненных под руководством А.С. Короткова.
Во второй части излагаются основы теории анализа передаточных, нелиней-
ных и шумовых характеристик смесителей на диодах и транзисторах в диод-
ном включении в обобщенном матричном виде в частотной области, а также
методика оптимального параметрического синтеза смесителей по критериям
максимизации коэффициента передачи, минимизации нелинейных искаже-
ний, что явилось результатом диссертационной работы О.А. Головань также
под руководством А.С. Короткова.
Книга состоит из двух частей, содержащих главы 1–5 и главы 6–8 соот-
ветственно. После краткого введения в первой главе рассматриваются особен-
ности характеризации приемников, приводятся основные принципы постро-
ения гомодинных приемников с преобразованием на нулевую частоту, в том
числе известные сложности, возникающие при реализации, рассматриваются
вопросы построения многофункциональных приемников, дается краткий об-
зор перспективных технологических решений. Во второй главе излагаются ос-
новы синтеза высокочастотных малошумящих усилителей преселектора при-
емника. В третьей главе обсуждаются свойства преобразователей и вопросы
построения смесителей по схеме Гильберта. Представляется полный анализ
смесителя по переменному и постоянному току, анализ шумовых и нелиней-
ных свойств. Приводится пример расчета и моделирования схемы. Четвертая
и пятая главы посвящены формированию опорного колебания – гетеродина
приемника. Рассматривается построение автогенераторов, характеризация
фазовых шумов автогенераторов, приводятся основные положения теории
синтезаторов частот с целочисленным коэффициентом деления и с дробным
коэффициентом деления на основе дельта-сигма-модуляторов. В шестой гла-
ве представлен обзор существующих методов анализа и параметрической оп-
тимизации смесителей, выявлены их достоинства и определенные недостат-
ки. Седьмая и восьмая главы посвящены решению задачи параметрического
синтеза смесителей на диодах и транзисторах в диодном включении в целях
достижения максимального коэффициента передачи и минимального уровня
нелинейных искажений. Для этого разработана обобщенная методика анали-
за смесителей в частотной области с учетом параметров схемы, включающая
анализ передаточных, нелинейных и шумовых свойств. Проведен анализ ба-
лансной, двойной балансной и тройной балансной схем. Представлены ре-
зультаты расчета и моделирования. Для диодных схем смесителей приведе-
ны результаты эксперимента. Результаты первых пяти глав иллюстрируются
примерами компьютерного моделирования на основе пакета Micro-Cap,
результаты последующих глав – на основе пакета ADS.
12 Устройства приема и обработки сигналов:
Микроэлектронные высокочастотные устройства радиоприемников систем связи
Библиографический список к введению
В.1. Головин О.В. Устройства генерирования, формирования, приема и обработ-
ки сигналов: Учебное пособие для вузов. – М.: Горячая линия – Телеком,
2014. – 783 с.
В.2. Фомин Н.Н., Буга Н.Н., Головин О.В. Радиоприемные устройства: Учебник
для ВУЗов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2007. – 520 с.
В.3. Колосовский Е.А. Устройства приема и обработки сигналов. – М.: Горячая ли-
ния – Телеком, 2007. – 456 с.
В.4. Румянцев К.Е. Прием и обработка сигналов. – М.: Академия, 2007. – 525 с.
В.5. Радиоприемные устройства / Под ред. Н.Н.Фомина. – М.: Радио и связь,
1996. – 510 с.
В.6. Радиоприемные устройства / Под ред. А.П.Жуковского. – М.: Радио и связь,
1989. – 332 с.
В.7. Буга Н.Н., Фалько А.Н., Чистяков Н.И. Радиоприемные устройства. –
М.: Радио и связь, 1986. – 320 с.
В.8. Богданович Б.М. Нелинейные искажения в приемно-усилительных устрой-
ствах. – М.: Связь, 1980. – 280 с.
В.9. Коротков А.С. Устройства приема и обработки сигналов: микроэлектрон-
ные высокочастотные устройства радиоприемников систем связи. – СПб:
Изд-во Политехн. ун-та, 2010. – 223 с.
ЧАСТЬ 1
ГЛАВА 1
СТРУКТУРЫ И ОСНОВНЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ
ПРИЕМНИКОВ
СИСТЕМ СВЯЗИ
1.1. Структурные схемы приемников
Радиоприемное (приемное) устройство является неотъемлемой частью лю-
бой радиотехнической системы. Несмотря на многообразие радиоприемных
устройств, их связывает общность построения структурной схемы. Это позво-
ляет рассматривать радиоприемное устройство как совокупность отдельных
блоков независимо от его назначения. На рис. 1.1 в упрощенном виде изобра-
жена структурная схема радиотехнической системы. Назначение системы со-
стоит в том, чтобы с заданной точностью восстановить на выходе приемного
устройства передаваемое от датчика сообщение в условиях воздействия помех.
В свою очередь радиоприемное устройство может быть представлено
с помощью структурной схемы (рис. 1.2), назначение отдельных блоков ко-
торой определяется основными функциями, выполняемыми каждым радио-
приемным устройством.