Моделирование и исследование принципов функционирования профессионального радиоприемного устройства преобразования частоты

ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева» Факультет радиоэлектроники и информатики
Кафедра радиоэлектронных и телекоммуникационных систем
ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
на курсовое проектирование по дисциплине Радиоприемные и радиопередающие устройства
Студенту группы		КРС-12 Иванов Евгений Михайлович
Объект проектирования:			Стационарное РПУ прямого преобразования
Основные параметры РПУ:
– диапазон частот, МГц................................................................................................................... 3,5-3,9
– расстройка по соседним каналам приема, кГц................................................................................. 10
– чувствительность, мкВ...................................................................................................................... 300
– отношение сигнал/шум на выходе, дБ............................................................................................... 20
– затухание по зеркальному каналу, дБ.................................................................................................. –
– затухание по соседним каналам, дБ................................................................................................... 40
– вид полезного сигнала..................................................................................................................... H3E
– способ перестройки по диапазону................................................................... переменной емкостью
Устройства для детального расчета, анализа и моделирования:					структура РПУ, входная цепь
Содержание пояснительной записки
Введение
1 Анализ технического задания
2 Анализ и моделирование входного сигнала
3 Расчет полосы пропускания и основных характеристик линейного тракта РПУ
4 Разработка и расчет обобщенной структурной схемы РПУ
5 Компьютерное моделирование обобщенной структурной схемы РПУ
6 Выбор и анализ элементной базы
7 Расчет и компьютерное моделирование входной цепи
Заключение
Список использованных источников
Приложения (электрические функциональная и принципиальная схемы РПУ, перечень элементов, результаты компьютерного моделирования)
Примечание: Нарушение сроков сдачи курсовой работы на проверку более чем на семь дней по отношению к указанному в задании сроку ведет к снижению оценки.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение. 6

1 Анализ технического задания. 8

1.1 Общий анализ назначения и сферы использования РПУ.. 8

1.2 Выбор и обоснование основных параметров качества и численных значений показателей РПУ.. 8

1.3 Предварительный анализ входного сигнала и помех приему. 11

1.4 Расчет и обоснование выбора количества и размещения соседних каналов приема. 12

1.5 Схема РПУ прямого преобразования. 13

1.6 Выбор и обоснование затуханий частотно-избирательных систем линейного тракта РПУ.. 14

1.7 Выводы по разделу. 15

2 Анализ и моделирование входного сигнала. 16

2.1 Комплексный анализ входного сигнала. 16

2.1.1. Разработка и описание математической модели входного сигнала. 16

2.1.2. Особенности используемого вида модуляции. 17

2.1.3. Моделирование входного сигнала. 18

2.2 Выводы по разделу. 20

3 Разработка и расчет обобщенной структурной схемы РПУ.. 21

3.1 Расчет и обоснование требуемой полосы пропускания и основных характеристик линейного тракта РПУ.. 21

3.2 Выбор и обоснование системы автоматической подстройки частоты.. 22

3.3 Расчет допустимого коэффициента шума линейного тракта РПУ.. 23

3.4 Расчет и обоснование осуществимости регулировок и основных характеристик системы АРУ.. 27

3.5 Выводы по разделу. 29

4 Анализ и моделирование структуры РПУ.. 31

4.1 Предварительное моделирование и выбор входной цепи. 31

4.2 Компьютерное моделирование структуры линейного тракта. 36

4.3 Выводы по разделу. 46

5 Разработка и описание функциональной схемы РПУ.. 47

5.1 Разработка и описание функциональной схемы РПУ.. 47

5.2 Выводы по разделу. 49

6 Расчет и компьютерное моделирование входной цепи. 50

6.1 Математический расчет и анализ входной цепи. 50

6.2 Моделирование входной цепи. 50

6.3 Выводы по разделу. 52

Заключение. 53

Список использованных источников. 54

Приложение А.. 55

прииложение Б. 56

Приложение В.. 57

Приложение Г. 59

Приложение Д.. 60

Введение

Радиоприемным устройством (РПУ) называют такое радиотехническое устройство, которое предназначено для приема радиосигналов и преобразования их к виду, позволяющему использовать передаваемое сообщение.

Для передачи любого сообщения с помощью радиоволн служит радиоканал, который соединяет источник и потребитель сообщения. Он содержит радиопередающее устройство, среду, в которой распространяются радиоволны, и радиоприемное устройство.

С помощью передающей антенны происходит преобразование энергии радиосигнала, т.е. модулирование высокочастотного электрического колебания, в энергию электромагнитного поля.

В виде радиоволн поле распространяется в окружающем антенну пространстве. При этом радиоволна может рассеиваться, поглощаться, отражаться от неоднородностей среды, преломляться. В результате энергия радиоволн становиться меньше. С помощью приемной антенны происходит обратное преобразование энергии электромагнитного поля высокой частоты в энергию электрического колебания. В результате в цепи приемной антенны создается ЭДС радиосигнала, являющегося источником воздействия для РПУ.

Радиосигнал, несущий полезную информацию, на входе РПУ не является единственным доминирующим по мощности сигналом.

Поэтому в РПУ необходимо осуществить:

1) выделение полезного сигнала из смеси с помехами;

2) выделение моделирующей функции;

3) различные преобразования полезного сигнала с целью достижения возможности и удобства его использования.

Таким образом, РПУ выполняет ряд функций:

1) избирательность;

2) демодуляция (эта функция направлена на выделение модулирующего колебания из колебаний радиосигнала высокой частоты, используемого в радиосистеме для передачи полезной информации);

3) усиление;

4) частотное преобразование (преобразование области частот в заранее выбранную область, где с этой частотой будет удобнее обрабатывать);

5) адаптация (изменение параметров РПУ с целью обеспечения заданного или максимально возможного в данных условиях приема качества работы РПУ).

1 Анализ технического задания

В данном разделе будет осуществлен выборе элементной базы и ее обоснование для настройки приемника прямого преобразования. Для расчета приемника необходимо знать следующие параметры принимаемых сигналов: минимальную и максимальную несущие частоты, вид модуляции, максимальный коэффициент модуляции.

1.1 Общий анализ назначения и сферы использования РПУ

Диапазоны частот, в которых приемник должен работать: 3.5-3.9 МГц. Для радиовещательных станций с амплитудной модуляцией в диапазонах километровых–декаметровых волн нижняя частота модуляции составляет 40 Гц, а верхняя – 4.5 кГц. Следовательно, наш приемник работает в диапазоне декаметровых волн.

1.2 Выбор и обоснование основных параметров качества и численных значений показателей РПУ

Для стационарного приемного устройства при необходимости вести прием сигнала со всех направлений следует применять направленную проволочную или штыревую антенну. Как правило, бывает достаточно иметь действующую высоту антенны около 1.5-5м. Используя информационные данные из учебника Н.В Боброва – Расчет радиоприемников под издательством Москва «Радио и связь» 1981 года, стр. 9 таблица 1.3 можно сделать вывод, что работая на выбранных частотах, вид сигнала и модуляции является телефон или телеграф амплитудной модуляции. На рисунке (1.1) представлена схема антенного устройства.

Рисунок 1.1 – Эквивалент антенно-фидерного устройства

Количество преобразований частоты для приемника прямого преобразование всего лишь одно.

Промежуточная частота не требуется, так как частота гетеродина настраивается сразу на нулевую частоту.

Полоса пропускания приемника определяется шириной спектра принимаемого сигнала. Для приемников данного класса, типовое значение пропускания полосы равно 6800 Гц, исходя из того, что для АМ-сигналов полоса пропускания равна 2´Fв, где Fв – это верхний диапазон спектра сигнала телефонии.

Нелинейные искажения в РПУ возникают из-за нелинейности амплитудных характеристик приемника. Количественно нелинейные искажения оцениваются коэффициентом гармоник Кг:

		(1.1)
Где	U22Ом,U23Oм,U24Oм - амплитуды основной составляющей и гармоник модулирующего напряжения в выходном сигнале приемника.

Коэффициент гармоник берем 0.05, используется для высокочастотного радиовещания.

Для вещательных радиоприемников динамический диапазон лежит в пределах от 40 до 60 дБ. Для данного РПУ типовое значение берем Д=40дБ.

Типовая чувствительность задана и составляет 300 мкВ.

Выходная мощность зависит от типа оконечного устройства. У данного РПУ таким устройством будет громкоговоритель, для которого требуется мощность в диапазоне от 0.025 до 10Вт. Выберем мощность 0.25Вт.

Значение идеального защитного интервала рассчитано в формуле (1.2) , Гц:

		(1.3)
Где	– максимальная частота низкочастотного полезного сигнала, Гц – расстройка по соседним каналам приема, Гц

Значение реального защитного интервала представлено в формуле (1.4), Гц:

		(1.4)
Где	- расстройка по соседним каналам приема, Гц

Расчет реального защитного интервала и полосы пропускания линейного тракта рассчитана в формуле (1.5).

Полоса пропускания приемника определяется наиболее широким спектром принимаемых диапазонов. Она должна быть шире спектра для учета нестабильности несущей сигнала, что мы можем увидеть в дальнейшем при расчете структурной схемы приемника.

, , Гц		(1.5)
Где	v – это линейная скорость движения приемника, км/ч; – это нестабильность несущей частоты передатчика, Гц; - это нестабильность частоты гетеродина приемника, Гц

1.3 Предварительный анализ входного сигнала и помех приему

Данный приемник, в соответствии с заданием должен принимать вид полезного сигнала H3E. Первый символ обозначает первую обязательную характеристику излучения – вид модуляции основной несущей: амплитудная модуляция. Второй символ – характер сигнала: один канал аналоговой информации. Третий символ – вид передаваемой информации: радиовещание.

Рисунок 1.2 – Спектр сигнала SSB

Однополосный сигнал будет приниматься приемником по схеме на рисунке 1.2, если частота гетеродина совпадает с частотой подавленной несущей. При этом частоты излучаемого спектра будут переноситься смесителем преемника сразу в область звуковых частот и поступать в УЗЧ, то есть для данного приемника не имеет значение какую полосу частот, нижнюю или верхнюю, излучает передатчик.

Ненужная боковая полоса приема может служить источником помех, если в нее попадет другой сигнал S’, как показано на рисунке 1.2. Однако мешающие же сигнал S’ искажается до неузнаваемости, поскольку его подавленная несущая fo’ далеко отстоит от частоты гетеродина f2.

Спектр АМ-сигнала содержит несущую и две боковые полосы. Если частота гетеродина отличается от частоты несущей более чем на 200 – 300 Гц, прием сопровождается сильным свистом на разностной частоте. В котором «тонет» полезный сигнал. При более тонкой настройке разностная частота становиться низкой, неслышимой. Однако звуковые сигналы от двух боковых полос несколько различаются по частоте, как это видно на рисунке 1.3. Эти два сигнала будут интерферировать между собой, то, складываясь, когда их текущие фазы совпадают, то вычитаясь, когда их фазы противоположны. В результате принятый звуковой сигнал оказывается промоделированным с частотой 2F.

Рисунок 1.3 – Интерферированные сигналы

1.4 Расчет и обоснование выбора количества и размещения соседних каналов приема

Количество станций, которые можно разместить в рабочем диапазоне частот, рассчитывается по формуле (1.7):

, шт.		(1.7)
Где	– значение крайних частот рабочего диапазона; – расстройка между соседними каналами.

Оценка диапазона рабочих частот проводиться по коэффициенту перекрытия диапазона . Коэффициент перекрытия диапазона принимаемых частот рассчитываем по формуле (1.8):

, = 1.114

(1.8)

Исходя из справочных данных и ТЗ следует, что, так как коэффициент перекрытия диапазона равен 1.114, а при перестройке РПУ с помощью переменной емкостью максимальный коэффициент диапазона лежит в пределах от 2.5 до 3, следовательно, перестройку можно осуществить согласно ТЗ.

Плотность настройки, то есть число приходящихся радиостанций на одно деление шкалы будем рассчитывать согласно параметрам РПУ. Примем длину всей шкалы Lш=162мм, а расстояние между рисками соседних делений Iш=2мм, тогда число рисок на шкале будет равным числу каналов. Это необходимо было сделать для того, что бы не разбивать шкалы на поддиапазоны.

Но можно сделать расчетные данные, которые могут понадобиться в дальнейшем. Исходными данными для решения этой задачи являются:

Диапазон частот приемника: расстройка соседнего канала (минимальный интервал между несущими частотами соседних по частоте сигналов); максимально допустимое число радиостанций, сигналы которых должны приниматься в одном поддиапазоне.

В диапазонах метровых и более длинных волн, в которых используются радиовещательные и радиолюбительские приемники, в качестве резонансных систем радиотракта применяются электрические колебательные контуры с сосредоточенными параметрами.

Расчет параметров настройки диапазона частот:” в приложение А”

1.5 Схема РПУ прямого преобразования

Так как в техническом задании оговорено, что приемник должен быть DCR- типа, то есть приемник прямого преобразования системы местного радиовещания, то сразу возьмем самую простую для реализации схему, представленную на рисунке (1.2).

Рисунок 1.3 –Приемник прямого преобразования

Работа этой схемы состоит в том, что: если частота или фаза принимаемого сигнала отличается от частоты или фазы гетеродина (G), то на выходе f3 будет наблюдаться сигнал биений между частотой гетеродина и частотой сигнала. В приемнике полосовым фильтром выделяется группа частот, в которой присутствует входной сигнал, затем синхронным детектором осуществляется перенос спектра в область низких частот. Подавление частот соседних каналов в данной схеме может осуществить как полосовой фильтр на входе детектора, так и фильтр низкой частоты, расположенный на его выходе. Известно, что сложность фильтра низкой частоты в два раза ниже сложности полосового фильтра с той же самой избирательностью. Поэтому схема приемника прямого преобразования выгоднее как с точки зрения надежности, так и с точки зрения стоимости устройства.

1.6 Выбор и обоснование затуханий частотно-избирательных систем линейного тракта РПУ

Исходя из заданных в ТЗ рабочих диапазонов частот обратимся к «Моделирование элементов и узлов РЭС: Учебное пособие по дисциплине и методические указания к выполнению расчетно-графической работы. / Сост.; РГАТА. – Рыбинск, 2010. – 153 с.» стр. 141 таблица Д.1, и выберем собственное затухание , коэффициент шунтирования для полевых транзисторов Kшп =1, для биполярных Kшб=2.

Рассчитаем полосу пропускания линейного тракта для приемника прямого преобразования по формуле (1.9):

, .		(1.9)
Где	– собственная добротность контура.

Все данные рассчитанные в формуле (1.9) и приложении Д, сведены в таблицу 1.1.

Таблица 1.1 – Общие характеристики колебательных контуров

Параметр	Тип транзистора
	полевой	биполярный
Конструктивная (собственная) добротность колебательного контура Q0	200	100
Коэффициент шунтирования δш	1	2
Эквивалентная добротность колебательного контура Qэкв	200	200
Требуемая (расчетная) полоса пропускания, Гц
Полоса пропускания одиночного колебательного контура на максимальной частоте fмакс, кГц	17.5	35
Полоса пропускания одиночного колебательного контура на минимальной частоте fмин кГц	19.5	39
Полоса пропускания одиночного колебательного контура на средней частоте fср, кГц	18.5	37
Полоса пропускания системы связанных колебательных контуров на максимальной частоте fмакс, Гц	24.648	49.296
Полоса пропускания системы связанных колебательных контуров на минимальной частоте fмин, кГц	27.465	54.930
Полоса пропускания системы связанных колебательных контуров на средней частоте fср, кГц	26.056	52.113

1.7 Выводы по разделу

За счет своей избирательности, данный приемник может быть реализован как на полевой, так и на биполярной структуре, так как полоса пропускания полностью удовлетворяет расчетному значению, с большим запасом.

2 Анализ и моделирование входного сигнала

В данном разделе будем разрабатывать математическую модель входного сигнала и его моделирование.

2.1 Комплексный анализ входного сигнала

Амплитудная модуляция является наиболее простым и широко распространенным способом заложения информации в сигнал важными достоинствами.

АМ–сигналы энергетически менее выгодны, так как мощность боковых колебаний, несущих даже при 100% модуляции не превышает половины мощности несущей, что говорит о неэффективном использовании мощности при амплитудной модуляции.

При амплитудной модуляции не удается обеспечить широкий диапазон передаваемых сигналов.

2.1.1. Разработка и описание математической модели входного сигнала

При амплитудной модуляции в соответствии с модулирующим сигналом изменяется амплитуда несущего колебания, которая представлена в формуле (2.1) и является как частный случай для АМ–сигнала :

Sам(t) = (Ao + Ksm(t))cos(ωot + φo)		(2.1)
Где	Ao – постоянная составляющая сигнала; Ksm – коэффициент пропорциональности между модулирующим сигналом и вариациями амплитуды.

Постоянная составляющая Ao добавляется к модулирующему сигналу для того, чтобы обеспечить не отрицательность амплитуды. Множитель K – коэффициент пропорциональности между модулирующим сигналом и вариациями амплитуды. Т.о., огибающая АМ сигнала имеет вид, которая представлена на формуле (2.2):

А(t)=Ao+Ksm(t).		(2.2)
Где	Ao – постоянная составляющая сигнала; Ksm – коэффициент пропорциональности между модулирующим сигналом и вариациями амплитуды.

Так как мощность боковых колебаний, несущих информацию даже при 100% модуляции (m=1), не превышает половины мощности несущей, что говорит о неэффективном использовании мощности при амплитудной модуляции, то выберем левую полосу, которая представлена в формуле (2.3)

(2.3)

Спектральное разложение проводиться также, как и для однотонального Ам–сигнала, которое представлено в формуле (2.4).

(2.4)

Выберем и обоснуем основные параметры принимаемого сигнала. Так как, проектируемое РПУ является связным, а заданный диапазон частот достаточно широким выберем m=1. В этом случае помехоустойчивость связи будет лучше, чем при m от 0,5 до 1. Полоса пропускания передаваемых АМ–сигналов при m=1 определяется выражением в приложение В.

2.1.2. Особенности используемого вида модуляции

АМ-сигналы по энергетике не выгодны, так как мощность боковых колебаний, несущих информацию даже при 100% модуляции (m=1), не превышает половины мощности несущей, что говорит о неэффективном использовании мощности при амплитудной модуляции. Оптимальным значение полосы пропускания приемника является 6800 Гц. Потеря мощности сигнала с m=1 и Fв=3400 Гц за счет отсеивания боковых полос второго порядка не превзойдет 2.5%. При амплитудной модуляции не удается обеспечить широкий динамический диапазон передаваемых сигналов.

2.1.3. Моделирование входного сигнала

На данном этапе создадим и настроим модель входного сигнала, удовлетворяющую нашему заданию, а также проведем сравнение сигналов при различной модуляции (при M=1, M=2, M=0.5). Функционально-параметрическая модель сигнала H3E представлена на рисунке (2.1)

Рисунок 2.1 – Функционально-параметрическая модель сигнала H3E в МС7

Для начала возьмем индекс модуляции m=1 и получим модель входного сигнала, который представлен на рисунке (2.2).

Рисунок 2.2 – Осциллограмма и спектрограмма исходного двухчастотного сигнала при m=1

Далее возьмем индекс модуляции равным m=2, график которой представлен на рисунке (2.3)

Рисунок 2.3 – Осциллограмма и спектрограмма исходного двухчастотного сигнала при m=2

Следующий график построим при индексе модуляции равной m=0.5, график который представлен на рисунке (2.4).

Рисунок 2.4 – Осциллограмма и спектрограмма исходного двухчастотного сигнала при m=0.5

Исходя из выше представленных графиков видно, что даже при 100% модуляции суммарная мощность боковых составляет только половину мощности несущей.

Исходя из данных графиков, видно, что при изменении индекса модуляции меняется энергетическая составляющая несущей частоты, что является главным показателем для нашей схемы входного сигнала. Как видно, что при индексе модуляции m=0.5 величина полезного сигнала составляет всего лишь 20%, что очень мало по сравнению с несущей, что очень плохо для ее извлечения из суммы всех шумов. При индексе модуляции m=1 полезная составляющая равно около 35%, что также не удовлетворяет нашим условиям. При индексе модуляции m=2 сумма полезных составляющих равно 100% несущей, что удовлетворяет заданию и модуляции сигнала с одной несущей полосой.

2.2 Выводы по разделу

В ходе анализа и математического моделирования входного сигнала был проведен комплексный анализ входного сигнала, а также была получена его математическая модель. Из графика двухчастотного сигнала видно, что несущая имеет хороший коэффициент передачи, близкий к единице, а остальные давятся на границе полосы пропускания.

Главным недостатком является небольшая селективность, другими словами небольшое ослабление сигналов располагающихся рядом радиостанций сравнивая с сигналом станции, на которую настроен приемник. Потому данный вид приёмников удобно применять исключительно для приёма сильных радиостанций, которые работают в длинноволновом либо средневолновом диапазоне.

3 Разработка и расчет обобщенной структурной схемы РПУ

В данном разделе будем производить расчет полосы пропускания линейного тракта, а также расчет допустимого коэффициента шума линейного тракта.

3.1 Расчет и обоснование требуемой полосы пропускания и основных характеристик линейного тракта РПУ

Значение идеального защитного интервала рассчитано в формуле (3.1), Гц:

		(3.1)
Где	– максимальная частота низкочастотного полезного сигнала, Гц – расстройка по соседним каналам приема, Гц

Значение реального защитного интервала представлено в формуле (3.3), Гц:

		(3.2)
Где	- расстройка по соседним каналам приема, Гц

Частота соседнего канала рассчитана в формуле(3.3) :

		(3.3)
Где	– минимальная частота диапазона, Гц; – расстройка по соседним каналам приема, Гц

, , Гц		(3.4)
Где	v – это линейная скорость движения приемника, км/ч; – это нестабильность несущей частоты передатчика, Гц; - это нестабильность частоты гетеродина приемника, Гц

Расчет реального защитного интервала и полосы пропускания линейного тракта рассчитана в формуле (3.4).

3.2 Выбор и обоснование системы автоматической подстройки частоты

Рассчитаем коэффициент расширения полосы пропускания:

Гц, Гц. ,		(3.5)
Где	– полоса пропускания (частота среза), – расстройка по соседним каналам(частота заграждения).

Согласно рекомендациям, при k_p < 1.5 для сигналов декаметровых не требуется применение системы автоматической подстройки частоты гетеродин.

3.3 Расчет допустимого коэффициента шума линейного тракта РПУ

В диапазоне КВ чувствительность приемника ограничивается внешними помехами (промышленными и атмосферными). Для получения требуемой чувствительности коэффициент шума приемника будем рассчитывать по формуле(3.6):

(3.6)

Где	EA – чувствительность РПУ; RA – активное сопротивление антенны; gвх – отношение сигнал/шум (сигнал/помеха) на входе РПУ.

Чувствительность дана в ТЗ и она равна E_A=300 мкВ.

Комплексное сопротивление антенны рассчитано по исходным данным, представленным на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Параметры элементов антенно-фидерного устройства

Подставляя численные значение в формулу (3.7) получим:

		(3.7)
где

Исходя из формулы 3.2 получим данные:

Рассчитаем для приемника на входе РПУ отношения сигнал/шум. Отношение сигнал/шум на входе РПУ находим по формуле (3.8):

,		(3.8)
Где	– частота диапазона равная 3400Гц

Переведя значение формулы (3.8) в Дб получим:

220.129=46,9 дБ

Подставляя численные значения в формулу(3.6), получаем следующий результат, который расположен в формуле (3.9):

,

(3.9)

3.3.1 Расчет и анализ обеспечения избирательности преселектора РПУ

Преселектор реализует реальную чувствительность приемника и избирательность по комбинационным каналам. К преселектору предъявляются также требования обеспечения динамического диапазона сигнала, подаваемого на вход преобразователя частоты, т. е. преселектора совместно с другими цепями и устройствами приемника должен реализовывать автоматическую регулировку усиления.

Необходимая чувствительность определяется внутренними шумами приемника. Основная проблема при приеме АМ-сигналов является получение высокой избирательности и помехоустойчивости при значительной загрузке эфира При этом преселектор (ВЦ и УРЧ) обеспечивает ослабление посторонних сигналов, достаточное для того, чтобы они не нарушали нормальной работы смесителя, т. е. не создавали побочных каналов приема и перекрестной модуляции.

Показатели затухания будут рассчитываться согласно следующей формуле():

		(3.10)
Где	– показатель расстройки; ?– фактор связи (?=1);

Расчет избирательности преселектора РПУ по соседним каналам и на границе полосы пропускания рассчитан в среде MathCAD и представлен на рисунках (3.1, 3.2). Ниже представлены исходные данные необходимые для расчета избирательности преселектора РПУ.

Исходные данные:

– Эквивалентная добротность для полевых транзисторов 200; – минимальная частота 3,5кГц; – полоса пропускания линейного тракта 8,853 кГц; – фактор связи в системе связанных контуров 1;

Рисунок 3.1 – Расчет затуханий преселектора для полевой структуры на краях полосы пропускания

На рисунке 3.2 представлен расчет избирательности преселектора РПУ по соседним каналам приема.

Исходя из полученных основных показателей затухания, взятых с рисунка 3.1 и 3.2 сведем их в таблицу 3.1.

Таблица 3.1 – Основные характеристики избирательности ВЧ тракта

Основные показатели затухания	Входная цепь		Преселектор		Суммарное
	абс. ед.	дБ	абс. ед.	дБ	абс. ед.	дБ
Затухание на границах полосы пропускания	1.33	2.483	50.6	34.07	45,22	36.56
Затухание по соседним каналам приема	1.11	0.9	50.1	34	55,61	35

Основные свойства преселектора заключаются в ослаблении сигналов, которые могут попасть в паразитные каналы приема. Так как у нас стоит обычный преселектора то он не обеспечивает в полной мере достаточного ослабления помех от близко расположенных передатчиков, работающих на соседних частотах.

Рисунок 3.2 – Расчет затуханий преселектора для полевой структуры по соседним каналам приема

3.4 Расчет и обоснование осуществимости регулировок и основных характеристик системы АРУ

Для радиовещательных приемников требованиями ГОСТ задается качество работы автоматического регулятора усиления.

Система автоматической регулировки усиления (АРУ), определяющая динамический диапазон, в радиовещательных приемниках должна обеспечить изменение напряжения не более чем на 10 дБ при при повышении уровня входного сигнала на 60 дБ.

Основные характеристики системы АРУ являются допустимое изменение выходного напряжения, которое представлено в формуле (3.10):

(3.11)

Для Формулы (3.10) напряжение задержки выбирается так, что бы до значения , которое соответствует чувствительности приемника при заданном диапазоне амплитуд входного сигнала , система АРУ не действовала.

Работа АРУ оценивается в статическом и динамическом режиме.

В статическом режиме инерционные свойства АРУ не проявляются, параметры системы измеряются в установившемся режиме, предполагающем медленные изменения амплитуды несущего колебания.

В динамическом же режиме работы АРУ наоборот, связан с его инерционностью и характерен для приема сигналов с быстро меняющейся амплитудой колебания несущей частоты.

Динамический диапазон амплитуд входных сигналов определяется по формуле (3.11):

.		(3.12)
Где	– максимальная амплитуда сигнала на входе; –минимальная амплитуда сигнала на входе.

Динамический диапазон амплитуд входных сигналов определяется по формуле(3.12):

.		(3.13)
Где	– максимальная амплитуда сигнала на входе; – минимальная амплитуда сигнала на входе.

Обычно под понимается амплитуда выходного сигнала, достаточная для работы оконечного устройства и обеспечивающая отношение сигнал–шум не менее 6-15дБ.

.

(3.14)

Определим осуществимость работы системы задержанной АРУ для проектируемого приемника. Характеристики для АРУ выберем следующие: B=10 дБ, D=26 дБ (типовые значения для данного класса приемника).

Для задержанной АРУ напряжение задержки выбирается так, чтобы до значения , соответствующего чувствительности приемника Е_А0, система не действовала. Для транзисторных приемников достаточно иметь напряжение задержки 0,5 – 1 В.

При таких значениях максимального регулирующего напряжения глубина регулирования усиления одного каскада обычно бывает не менее 5 – 10 (выберем значение равное 7). Глубина регулирования при выбранных значениях представлена в формуле (3.14):

.		(3.15)
Где	, максимальный и минимальный резонансный коэффициент селективного усиления

Рассчитаем необходимое количество регулируемых каскадов N_P по неравенству представленном в формуле (3.15):

.

(3.16)

Следовательно, достаточно регулировать усиление только в одном каскаде. Таким образом, все требуемые регулировки для приемника осуществимы.

3.5 Выводы по разделу

Таким образом, рассчитав вышеприведенные параметры, все требуемые

регулировки для приемника являются оптимальными.

Из за принципа прямого преобразования часть выходного колебания необходимо подавлять из за удвоенной частоты сигнала.

Мощность полезного сигнала на выходе умножителя (смесителя) будет в два раза меньше мощности сигнала на входе. Иными словами, коэффициент передачи смесителя не может превышать –3 дБ. В реальных схемах ситуация хуже за счет потерь в элементах умножителя. Активный умножитель (умножитель с усилением) ситуацию в корне не меняет, так как он усиливает не только сигнал, но и шум, а значит, коэффициент шума будет в лучшем случае останется точно таким же.

Для увеличения чувствительности радиоприемника (уменьшения коэффициента шума приемника) между входом синхронного детектора и выходом входного устройства приемника размещают малошумящий усилитель высокой частоты (УВЧ).

Система АРУ не должна превышать коэффициент шума РПрУ при слабых полезных сигналов, а также динамический диапазон сигналов на выводе РПрУ не должно превышать 10 дБ.

4 Анализ и моделирование структуры РПУ

Так как для общих характеристик радиоприемного устройства исходными данными для расчета являются не только диапазон рабочих частот, но и параметры приемной антенны, такие как емкость, индуктивность, активное сопротивлении и тд. Следовательно будем производить предварительное моделирование, выбор входной цепи, а также компьютерное моделирование структуры линейного тракта.

4.1 Предварительное моделирование и выбор входной цепи

Входная цепь – это часть РПУ между антенной и первым каскадом РПУ, то есть усилителем и преобразователем частоты. Входная цепь предназначена для передачи возможно большей мощности радиосигнала от антенно-фидерного устройства на вход первого каскада и осуществления частичной селекции сигнала.

Составим модель входного сигнала из емкостной, индуктивной и комбинированной цепи, и выберем наиболее подходящую для нашего приемника. На рисунке 4.1 изображена функционально-параметрическая вариативная модель входной цепи с исходными данными.

Рисунок 4.1 – Функционально-параметрическая вариативная модель входной цепи

Как сказано выше мы будем моделировать модель входного сигнала из емкостной, индуктивной и комбинированной цепи, и выберем наиболее подходящую для нашего приемника. На рисунке 4.2 построили входную цепь внешнеемкостной связью с антенной. В таком входном устройстве входной контур включен последовательно в цепь антенны.

Рисунок 4.2 – Входная цепь внешнеемкостной связью с антенной

Далее на рисунке 4.3 представим входную цепь индуктивной связью с антенной.

Рисунок 4.3 – Входная цепь индуктивной связью с антенной

Совместив индуктивную и емкостную связь с антенной и получим комбинированную входная цепь с антенной и покажем на рисунке 4.4.

Рисунок 4.4 – Входная цепь комбинированной связью с антенной

Такое сочетание применяют в РПУ с малой неравномерностью коэффициента перекрытия по диапазону.

Поскольку в антенне наводятся ЭДС множества сигналов, входное устройство должно выделить и передать энергию полезного сигнала.

Смоделируем и представим АЧХ входных цепей внешнеемкостной индуктивной и комбинированной связями в абсолютном формате на рисунке 4.2.

Дальнейшим действие смоделируем и представим АЧХ входных цепей внешнеемкостной индуктивной и комбинированной связями в абсолютном формате на рисунке 4.3.

Исходя из полученных данных на графике 4.2 и 4.3 можно сделать вывод о том что: уменьшение Lsv невозможно вследствие выбора минимального значения Lk, а увеличение Lsv приводит к уменьшению коэффициента передачи, целесообразно выбрать значение Lsv равной Lk.

Дальнейшим действием для выбора входной цепи построим АЧХ входных цепей внешне-емкостной индуктивной и комбинированной связями после УРЧ и представим на картинке 4.4.

Рисунок 4.5 АЧХ входных цепей внешнеемкостной индуктивной и комбинированной связями (абсолютный формат)

Рисунок 4.6 АЧХ входных цепей внешне-емкостной индуктивной и комбинированной связями(относительный формат)

Рисунок 4.7 АЧХ входных цепей внешне-емкостной индуктивной и комбинированной связями после УРЧ

АЧХ входных цепей внешне-емкостной индуктивной и комбинированной связями после УРЧ в относительном формате представлено на рисунке 4.8.

Рисунок 4.8 АЧХ входных цепей внешне-емкостной индуктивной и комбинированной связями после УРЧ(относительный формат)

Пытаясь совместить по АЧХ все три графика, для наиболее подходящего для нас вида АЧХ, можно сделать вывод о том что наиболее подходящей связь с антенной является входная цепь внешнеемкостной связью с антенной.

Смоделируем перестройку входных цепей по всему диапазону рабочих частот представленная на рисунке 4.6.

Рисунок 4.9 Перестройка входных цепей по диапазонам

Рассмотрев все три вида входного сигнала с антенной и получив АЧХ входных цепей по всем диапазонам, в полной мере нас удовлетворяет схема с внешнеемкостной связью с антенной.

4.2 Компьютерное моделирование структуры линейного тракта

Проведем компьютерное моделирование структуры линейного тракта, рассмотрим процессы, происходящие в структурных узлах РПУ. Необходимо выявить, что выбранная структура линейного тракта соответствует условиям ТЗ.

Для начала построим функционально-параметрическую модель РПУ показанную на рисунке 4.10.

Рисунок 4.10 – Функционально-параметрическая модель РПУ

Сняв сигнал входе приемника еще раз убедимся что он полостью соответствует нашему сигналу H3E показанный на рисунке 4.11.

А также посмотрим спектр сигнала, то есть распределение энергии сигнала по частотам.

Рисунок 4.11 – Сигнал и спектр на входе приемника

Получив сигналы в контрольных токах преселектора, рисунок 4.9, можно увидеть, что он сохраняется на всем диапазоне частоте.

Рисунок 4.12 – Сигналы в контрольных точках преселектора

Рассмотрев спектры сигналов, в контрольных точках приемника, вид модуляции и спектр сигнала сохраняется, все три графика показаны на рисунке 4.13.

Рисунок 4.13 – Спектры сигналов в контрольных точках преселектора

Пройдя сигнал от преселектора до выхода из приемника сигнала он сохраняет свои свойства, которые показаны на рисунке 4.14.

При анализе полученных данных видно как преселектором выделяется узкая полоса частот соответствующая рабочему диапазону приемника. Далее, выделенный сигнал поступает на вход преобразователя частоты, в котором спектр принимаемой станции переноситься на нулевую частот.

Достоинством приемника прямого преобразования можно выделить то, что происходит выигрыш в занимаемой полосе, за счет подавления одной боковой полосы, а также идет энергетический выигрыш за счет частичного или полного подавления несущей частоты, так как основная часть энергшии (75%) в АМ-сигнале излучается в виде несущей, которая не несет полезной информации.

Рисунок 4.14 – Спектры сигналов в контрольных точках преселектора

В области нижних частот, показанный на графике 4.15 можно увидеть подавление канала справа с фильтром нижних частот.

Рисунок 4.15 – Детализация сигнала и спектра на выходе приемника в области нижних частот

Определим требования к фильтру низкой частоты (ФНЧ) приемника прямого преобразования. Сложность фильтра низких частот зависит от его порядка. Требования к порядку фильтра приемника прямого преобразования задаются крутизной ската его амплитудно-частотной характеристики фильтра (АЧХ). В общем случае эти требования зависят от конкретного вида сигнала, применяемого в данной системе связи.

Создадим ФНЧ, используя функцию программы Micro-cap. Ниже представлена схема на рисунке 4.16 фильтра нижних частот для нашего устройства.

Рисунок 4.16 – Схема фильтра нижней частоты

В этой схеме подавление частот соседнего канала осуществляется фильтрами низкой частоты, которые расположены сразу после частотных преобразователей (умножителей). После подавления помех осуществляется основное усиление принимаемого сигнала. На рисунке 4.17 показана характеристика ФНЧ.

Говоря о передатчике, ФНЧ строиться для того что бы сэкономить мощность передатчика, которая нужна лишь для того, что только для работы простейшего диодного детектора в приемнике. Тем самым с помощью ФНЧ будем подавлять эту несущую почти полностью а также одну из боковых полос, тем самым получается одна наша боковая полоса.

Рисунок 4.17 – Характеристика фильтра нижней частоты

Получив необходимой нам характеристики подавления сигнала на нижних частотах построим изменение сигнала на выходе приемника показанной на рисунке 4.18.

Рисунок 4.18 – Сигнал и спектр на выходе приемника с измененным фильтром

Дальнейшими нашими действиями будет сравнение характеристик приемника прямого преобразования АМ-сигнала с типом сигнала H3E полученные при расчетах и смоделированные в среде MicroCap. Первым этапом будет сравнение полосы пропускания преселектора показанная на рисунке 4.19.

Рисунок 4.19 – Полоса пропускания преселектора

Как видно что полоса пропускания расчетная, рассчитанная в п. 1.6 по формуле 1.9 и полученной при моделировании есть незначительные расхождения. Это связано приближенностью расчетных данных и погрешностей моделирования сигнала.

Далее рассмотрим значение затухания полезного сигнала на краях полосы пропускания показанной на графике 4.20.

Затухание по соседним каналам обеспечивается фильтром нижних частот.

Рисунок 4.20 – Затухание полезного сигнала на краях полосы пропускания в преселекторе

Сравнивая расчетные показанные в пункте 3.3.1 « Расчет и анализ обеспечения избирательности преселектора РПУ» с полученными при моделировании на рисунке 4.20, также видно, что есть небольшие расхождения связанные с погрешность приближенных данных полученных при расчетах. Что также наблюдается на рисунке 4.21.

Рисунок 4.21 – Затухание соседних каналов

4.3 Выводы по разделу

В данном разделе мы провели предварительное моделирование и выбор входной цепи. Выбрали входную цепь с внешне емкостной связью с антенной. Построили функционально-параметрическую модель прямого преобразования, и провели моделирования структуры линейного тракта. Сравнили показания расчетные с полученными при моделировании сигнала в программе MicroCap, и увидели не значительные расхождения в расчетах.

5 Разработка и описание функциональной схемы РПУ

На основе проделанных выше вычислений, разработаем функциональную схему РПУ. Ее вид аналогичен выбранной структурной схемы в пункте 1.5.

В этом разделе предстоит разработать и детализировать функциональную схему разрабатываемого РПУ.

5.1 Разработка и описание функциональной схемы РПУ

Высокочастотный АМ-сигнал с помощью антенны передается во входную цепь, которая состоит из колебательного контура и служит для согласования антенны с каскадом УРЧ. Входная цепь обладает избирательными свойствами и частично подавляет сигналы мешающих каналов , и в связи с достаточной шириной диапазона она должна перестраиваться.

Для обеспечения избирательности по соседним каналам приёма, спектр сигнала переносим на промежуточную частоту за счёт применения смесителя и гетеродина.

Рисунок 5.1 – Структурная схема приемника прямого преобразования

В этом приемнике полосовым фильтром выделяется группа частот, в которой присутствует входной сигнал, затем синхронным детектором осуществляется перенос спектра в область низких частот. Подавление частот соседних каналов в данной схеме может осуществить как полосовой фильтр на входе детектора, так и фильтр низкой частоты, расположенный на его выходе. Известно, что сложность фильтра низкой частоты в два раза ниже сложности полосового фильтра с той же самой избирательностью. Поэтому схема приемника прямого преобразования выгоднее как с точки зрения надежности, так и с точки зрения стоимости устройства.

Преобразователь частоты, гетеродин которого работает на частоте, которая в 2 раза ниже частоты приема, имеет несколько очень полезных свойств. Во-первых, на более низкой частоте легче получить ее необходимую стабильность. Во-вторых, уменьшается уровень сигнала гетеродина, проникающего в антенну, что обеспечивает значительное снижение вероятности появления помехи в виде мультипликативного фона. В-третьих, учитывая, что входной и гетеродинный контуры настроены на разные частоты, эти контуры можно располагать в непосредственной близости друг от друга, не опасаясь увеличения проникновения сигнала гетеродина во входные цепи приемника и разбаланса смесителя. Следовательно, упрощается конструкция приемника и уменьшаются его размеры.

Функциональная схема РПУ прямого преобразования распложена в приложении Е.

Функциональная схема построена в соответствии со стандартами ЕСКД представленными в методическом пособии «Справочное издание, разработанное под руководством Устиненко С.Т , издательство станартов,123840, Москва, 1989 год» .

Графическое построение схемы должно наглядно отображать последовательность процессов, иллюстрируемых схемой. Действительно расположение в изделии элементов и устройств может не учитываться. Все функциональные части и связи между ними изображают в виде условных графических обозначений, у установленные в стандартах ЕСКД. Отдельные функциональные части на схеме допускается изображать в виде прямоугольников.

Сигнал со входного контура подается на исток транзистора, а сигнал ПЧ или НЧ (в гетеродинном приемнике) снимается со стока. Источника питания не требуется. Напряжение гетеродина подается на затвор транзистора и управляет сопротивлением канала.

Рассматривая устройство смесителя, нам известно, что при небольших напряжениях промежуток исток-сток (канал) полевого транзистора ведет себя как линейный резистор, независимо от полярности приложенного напряжения. В то же время сопротивление канала может изменяться в зависимости от напряжения затвор-исток, от десятков ом до многих мегом. Это и позволяет использовать полевой транзистор в смесителях как управляемый линейный элемент.

К основным достоинствам смесителя относятся высокая чувствительность, поскольку по каналу транзистора не проходит ни ток питания, ни ток гетеродина, а только слабый ток сигнала, при этом транзистор шумит не многим сильнее обычного резистора с тем же сопротивлением, и высокая линейность, поскольку при небольшом входном напряжении проводимость канала не зависит от него.

Кроме того, смеситель отличается малым проникновением сигнала гетеродина во входную цепь (только через небольшую емкость между затвором и каналом транзистора) и исключительно малой мощностью, требуемой от гетеродина, поскольку входное сопротивление по цепи затвора велико.

Подобный простейший смеситель обеспечивает чувствительность около 1 мкВ (без УРЧ) и динамический диапазон порядка 65 дБ. Повысить динамический диапазон можно следующими классическими способами: перейти к балансной схеме, обеспечить работу смесителя в ключевом режиме и согласовать смеситель с нагрузкой в широкой полосе частот. Балансные схемы смесителей на полевых транзисторах родились из аналогичных схем на диодах, причем канал транзистора подключается вместо диода, а полярность последнего соответствует синфазному или противофазному подключению затвора к гетеродину.

5.2 Выводы по разделу

В данном разделе на основании расчётов структуры линейного тракта, в соответствии с выбранной элементной базой и типовых схем были разработаны функциональная схема РПУ. Как видно, важнейшее место при разработке занимает элементная база. Для РПУ на сегодняшний день разработано и серийно выпускается множество интегральных микросхем большой степени интеграции, при использовании которых можно было бы получить более простую схему.

6 Расчет и компьютерное моделирование входной цепи

В данном разделе происходит компьютерное моделирование и математический анализ входной цепи.

6.1 Математический расчет и анализ входной цепи

В результате полученных данных при расчетах входной цепи, расположенных в приложении Г, можно сравнить их с расчетами полученными при моделирование непосредственно самого сигнала входной цепи, расположенная на рисунке 6.2.

6.2 Моделирование входной цепи

Схема рассматриваемой входной цепи приведена на рисунке 6.1. Чтобы расстройка контура с антенной не превышала допустимой, емкость конденсатора связи нужно брать малой: в декаметровом диапазоне 2-5пФ. Выберем результирующую емкость антенны цепи 5пФ.

Так как в антенне наводятся ЭДС множества сигналов, входное устройство должно выделить и передать только энергию полезного сигнала. Для этого входное устройство настраивается на частоту принимаемого сигнала, для чего в нем содержаться перестраиваемые контура.

Изменяя емкость контура в диапазоне от от 50 до 90 пФ (см. рисунок 6.2) получим совпадение расчетной (от 4.2 до 4.8) и моделированного(4.6 до 5.2) коэффициента усиления.

Рисунок 6.1 – Эквивалентная модель входной цепи

Рисунок 6.2 – Анализ входной цепи при изменении параметров емкости контура по всему диапазону

6.3 Выводы по разделу

Сравнивая изменение коэффициента усиления как полученное при расчетах, так и при моделировании можно сделать заключение о том, что расхождение конечных значений коэффициента усиление такое же.

Заключение

В данной курсовой работе была произведена разработка РПУ прямого преобразования на уровне изучения основных принципов построения и функционирования приемных устройств. В процессе разработки были изучены основные этапы анализа и разработки РПУ. Использование современной элементной базы позволило реализовать устройство всего на одной интегральной схеме. Это позволит снизить затраты при изготовлении данного изделия. К достоинствам данного РПУ можно отнести: простоту, больший динамический диапазон передатчика по сравнению с передатчиком, выполненным с трактом преобразования частоты, уменьшение энергопотребления, уменьшение массогабаритных показателей устройства из-за отсутствия фильтров ПЧ, смесителей.

Список использованных источников

1 Богданович Б.М., Окулич Н.И. Радиоприемные устройства: Учеб. пособие для вузов. Под общ. ред. Б.М. Богдановича. – Мн.: Высшая школа, 1991

2 Радиоприемные устройства: Учеб. пособие для радиотехнич. спец. вузов / Ю.Т. Давыдов, Ю.С. Данич, А.П. Жуковский и др.; Под. ред. А.П. Жуковского. – М.: Высшая школа, 1989

3 Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. для вузов по спец. «Радиотехника». – 2-е изд., перераб. и доп. – 2-ое изд. – М.: Высш. шк., 1988

4 Рэд Э.Т. Схемотехника радиоприемников. Практическое пособие: Пер. С нем. – М.: Мир, 1989

5 Справочник по учебному проектированию приемно-усилительных устройств / М.К. Белкин, В.Т. Белинский и др. – К.: Выща шк. Головное изд-во

6 Бобров Н.В. Расчет радиоприемников. – М.: Радио и связь, 1981. (Массовая радиобиблиотека)

7 Проектирование радиоприемных устройств. Под ред. А.П. Сиверса. Учеб. пособие для вузов. М.: Советское радио, 1986

8 Разработка и оформление конструкторской документации радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Э.Т. Романычева и др. – М.: Радио и связь,1989

9 Усатенко С.Т. Выполнение электрических схем по ЕСКД: Справочник. – М.: Издательство стандартов, 1989

10 Моделирование элементов и узлов радиоэлектронных средств: Учебное пособие по дисциплине и методические указания в к выполнению РГР.: УДК 621.396.6 Кругликов С.Ю., Печаткин А.В

11 Радиолюбителям о технике прямого преобразования: В.Т Поляков: Москва 1990

Приложение А

(Обязательное)

Рисунок А.1 – Исходные данные необходимые для расчета

Рисунок А.2 Расчет длинны антенны и коэффициента перекрытия диапазона

прииложение Б

(Обязательное)

Рисунок В.1 Исходные данные

Рисунок В.2 Расчет параметров сигнала и канала

Рисунок В.3 Расчет реального защитного интервала

Приложение В

(Обязательное)

Рисунок Д.1 – Расчет добротностей и полосы пропускания в зависимости от вида транзистора

Приложение Г

(Обязательное)

Рисунок 1.Г – Коэффициент передачи входной цепи по диапазону при полном включении

Приложение Д

(обязательное)

Наилучшей из известных систем синхронизации является система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). В ней колебания сигнала и гетеродина поступают на смеситель (фазовый детектор) U1, его выходной сигнал фильтруется (Z2), усиливается (А2) усилителем постоянного тока (УПТ) и подается на варикап V1, управляющий частотой гетеродина G1. При захвате сигнала устанавливается точное равенство частот сигнала и гетеродина и их относительный фазовый сдвиг около 90 градусов.

Поз. Обозна- чение	Наименование	Кол.	Примечание
А1	Входной усилитель входной цепи	1
А2	Симметричный ограничитель	1	ФАПЧ
А3	Симметричный ограничитель	1	АРУ
А4	Выходной усилитель мощности	1
B1	Динамик	1
G1	Гетеродин	1
U1	Смеситель	1
Z1	Входная цепь	1
Z2	Фильтр нижних частот	1
Z3	Фильтр нижних частот	1
Z4	Фильтр нижних частот	1