Разработка радиоприемного устройства импульсных сигналов

РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

Данное радиоприемное устройство диапазона СВЧ с ВИМ предназначено для организации радиорелейной связи и обеспечения приема многоканальных сигналов с временным уплотнением, с фазово (временно) импульсной модуляцией или приема цифровой информации. Данное РПУ входит в состав приемно-передающей промежуточной станции радиорелейной линии связи, т.е. является стационарным оборудованием. Отношение напряжения сигнала к напряжению шума является одним из наиболее важных параметров радиорелейной линии, т.к. оно определяет, по существу, возможную дальность связи, т.е. такое число ретрансляции, при котором напряжение шума в канале не превышает величины допустимой для телефонной передачи.

ВЫБОР СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

При выборе структурной схемы приемного устройства мы должны учитывать требования технического задания, а именно: обеспечение сравнительно высокой чувствительности, избирательности, стабильности частоты гетеродина, а также учитывать минимум искажения формы импульсных сигналов при их усилении. Опираясь на вышесказанное можно остановить свой выбор на супергетеродинной схеме приемника. Для постоянства уровня выходного сигнала при значительных изменениях его на входе, придется включить в схему систему АРУ и несколько каскадов УПЧ. Избирательность по «зеркальному» каналу будет обеспечивать преселектор, а избирательность по соседнему каналу - неперестраеваемые фильтры каскадов УПЧ. После детектора, который выделяет огибающую радиоимпульса, находится видео усилитель (широкополосный усилитель т.к. спектр импульса занимает широкий диапазон частот и необходимо выполнить условие о неискажении формы импульсного сигнала при усилении), далее система АРУ, регулирующая входное напряжение первых каскадов УПЧ, которые осуществляют основное усиление на промежуточной частоте. После видео усилителя находится оконечное устройство, в качестве которого может быть УГС (усилитель групповых сигналов).

Структурная схема РПУ представлена на рис.1

ВЫБОР СХЕМЫ ГЕТЕРОДИНА И ЕГО ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

При выборе схемы гетеродина, его рабочей частоты с учетом обеспечения заданных требований по стабильности частоты, необходимо учитывать, что при высокой частоте гетеродина, отклонение промежуточной частоты от номинального значения, на которое настроены селективные цепи тракта УПЧ, может быть довольно значительным (из-за нестабильности гетеродина), что ведет к уменьшению коэффициента усиления тракта, т.е. к ухудшению селективности и чувствительности РПУ вследствие смещения спектра сигнала промежуточной частоты относительно полосы пропускания тракта УПЧ. При «нижней» настройке (т.е.fc>fг) селективность тракта УПЧ по «зеркальному» каналу обычно выше, чем при «верхней» настройке, в силу несимметричности частотной характеристики колебательного контура. Отсюда ориентировочно f г6*10^-8

Определяем коэффициент передачи детектора и входное сопротивление по кривым, приведенным на рис.9.2 и 9.5 [1]

при Rн / Ri =11000/120=92 Кd=0.92

при Кd=0.92 имеем Rвхд / Ri=70 отсюда Rвхд =70*Ri Rвхд=120*70= 8,4 КОм

РАСЧЕТ СИСТЕМЫ АРУ.

Расчет системы АРУ начнем с расчета пикового детектора и фильтра нижних частот. Исходя из того, что значение постоянной времени цепи регулирования 47,04 мкс Тф 0,56 мс полагаем Тф =0,1 мс.Принимая Rф=10 Ком находим емкость фильтра . Сф= Тф / Rф= 0,1*10^-3/10⁴= 10нФ [1]

Находим постоянную времени заряда емкости нагрузки детектора з = 0,2 * и = 0,2*1,2*10^-6 = 0,24 мкс ,где и - длительность импульсов. В качестве диода с большим обратным сопротивлением выбираем диод типа Д2В. Определяем величину емкости нагрузки детектора Cн Cнд, Cнд =з /( Rн + Ri ) [1] , где Rн =150 Ом - сопротивление нагрузки, Ri= 120 Ом - внутреннее сопротивление диода Cнд = 0,24*10^-3/(120+150)=0,9 нФ

Теперь надо найти сопротивление нагрузки детектора АРУ.

Rнд= р / Cнд , где р -время разряда емкости [1]

р 0,1* Тф /4*Мmax , р 0,1*0.1*10^-3/4*8.4; р 0.29мкс

возьмем р = 0,16 мкс Rнд=0,16*10^-6/0,9*10^-9=182 Ом

Далее найдем коэффициент передачи детектора:

Кд= р[1-exp(-и/з)][ 1-exp(-и/p)]/ Tи *[1-exp((-и/p) +(и/з)] [1]

Tи= 2.8 мкс

Кд= 0,2*10^-6[1-exp(-6)][1-exp(-7.5)]/2.8*10^-6*[1-exp(-2.5)]= 0.06

Рассчитаем цепь задержки, задаваясь напряжением смещения Uсм =12,6 В и током диода Iд=7,6 мА

R20.01* Rнд=0.01*182=1.8 Ом

R1= (Uсм-Ез )/Iд = (12,6 – 5)/7,6*10^-3= 1 КОм

C1=50/(2 f пр R1)=50/6,28*30*10⁶*10³= 270 пФ

Теперь определяем элементы и их значения для межкаскадных развязывающих фильтров. Полагая

Rрф= 10 КОм , Cрф= 20/(2 f пр Rрф) имеем Cрф=20/(6,28*30*10⁶*10⁴)= 11пФ

Схема системы АРУ приведена на рис. 9

РАСЧЕТ АЧХ ТРАКТА УПЧ.

Резонансная система представляет собой два контура, связанных между собой при критическом параметре связи  =1. Рассчитаем частотную характеристику Н()

Н =(2/)^n/2 [2] , где n=4 - число каскадов УПЧ

= 2f / dэ f пр -текущая расстройка; f -величина расстройки, отсчитываемая от f пр=30МГц dэ = 0,116 эквивалентное затухание контуров;

Полученные результаты заносим в таблицу N 2

ТАБЛИЦА 2

f,МГц		Н	1/Н,дб	f,МГц		Н	1/Н,дб
0	0	1	0	6,5	3,736	0,02	33,928
0,5	0,287	0,998	0,014	7	4,023	0,015	36,454
1	0,574	0,974	0,233	7,5	4,31	0,012	38,817
1,5	0,862	0,787	1,123	8	4,598	0,009	41,042
2	1,149	0,697	3,142	8,5	4,885	0,007	43,129
2,5	1,437	0,484	6,303	9	5,172	0,006	45,099
3	1,724	0,312	10,126	10	5,747	0,004	48,746
3,5	2,012	0,196	14,146	11	6,322	0,003	52,049
4	2,299	0,125	18,044	12	6,897	0,002	55,067
4,5	2,586	0,082	21,713	13	7,471	0,001	57,84
5	2,874	0,055	25,133	14	8,046	0,0009	60,413
5,5	3,161	0,039	28,286	15	8,621	0,0007	62,809
6	3,448	0,028	31,207	16	9,195	0,0006	65,048

РАСЧЕТ АМПЛИТУДНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИЕМНИКА

С ВКЛЮЧЕННОЙ АРУ.

Для упрощения расчетов используем линейную аппроксимацию амплитудной характеристики, которая находится из соотношения: U вых = UвхminKo+(U вх – Uвхmin) Ko (D вых –1 )/(D вх-1) [7] где Ko =617284 - коэффициент усиления тракта УПЧ при действии системы АРУ; Uвхmin = 8.1*10^-6 B- напряжение на входе первого регулируемого каскада УПЧ , при котором начинает работать система АРУ: (D вых –1 )/( D вх -1)=(2-1)/(10000-1)=1*10^-4 Uвыхmin= Ko Uвхmin= Ез =5 В Uвхmax= Uвхmin D вх= 8.1*10^-6*10000= 81 мВ Результаты расчета сведены в таблицу N3.

ТАБЛИЦА 3

Uвх,мкВ	Uвых,В	Uвх,мкВ	Uвых,В	Uвх,мкВ	Uвых,В
10	5,00	15000	5,9	55000	8,4
100	5,01	20000	6,2	60000	8,8
500	5,03	25000	6,5	65000	9,0
1000	5,06	30000	6,85	70000	9,3
2500	5,15	35000	7,2	75000	9,6
5000	5,3	40000	7,5	80000	9,9
7500	5,5	45000	7,8	82000	10,6
10000	5,6	50000	8,1

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРИЕМНИКОВ.

ИЗМЕРЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ.

Для СВЧ приемников чувствительность принято оценивать по величине мощности сигнала на входе приемника, при которой: при заданном отношении сигнал/шум на выходе обеспечивается определенная реальная и предельная. Предельная чувствительность приемника характеризуется величиной мощности входного сигнала при отношении сигнал / шум р =1 на входе .Реальная чувствительность (Рас) приемника характеризуется наименьшим значением мощности сигнала на входе приемника, при котором на выходе приемника обеспечивается заданное значение отношения сигнал / шум р =10.

Уровень внешних шумов в СВЧ диапазоне сравнительно невысок и поэтому чувствительность СВЧ приемников ограничивается их собственными шумами и коэффициентом усиления, при этом чувствительность тем выше, чем больше коэффициент усиления, т.е. при измерениях желательно отключать систему АРУ, которая ограничивает амплитуду сигнала и шумов, при максимальном усилении. Для исключения действия различных электромагнитных наводок измерение следует проводить в экранированной камере (помещении) при заданных значениях температуры, влажности и давления.

Таким образом, для измерения реальной чувствительности СВЧ приемника необходимо найти значение предельной чувствительности Рпр = NKTш Пш = Ршвых/Кпр и умножить на заданное отношение сигнал / шумр =10. Рас = р Рпр=р NKTш Пш [2] где N- коэффициент шума приемника; К= 1,38 *10^-23 Дж/град- постоянная Больцмана; Тш- шумовая температура приемника Пш- шумовая полоса пропускания Кпр- коэффициент усиления линейной части приемника Рш вых- мощность шумов на выходе приемника при р= 1 Для замера предельной чувствительности приемника необходимо поместить его в экранированное помещение при заданных внешних условиях, отключить или нейтрализовать действие системы АРУ и закоротив вход приемника замерить с помощью квадратичного вольтметра напряжение шумов на выходе линейной части приемника. Зная напряжение шумов, находят мощность шумов и, используя соотношение Рас = р Ршвых /Кпр находят реальную чувствительность приемника. Поскольку величина мощности шумов относительно мала, то при оценке реальной чувствительности приемника необходимо так же учитывать погрешность измерений. Зная мощность шумов на выходе приемника можно определить коэффициент шума приемника, используя соотношение: Ршвых= NKTш Пш отсюда N= Ршвых/ KTш Пш

ИЗМЕРЕНИЕ ИЗБИРАТЕЛЬНОСТИ.

Избирательные свойства приемника оценивают по частотной характеристике тракта УПЧ и находят как соотношение чувствительности приемника U(f) при расстройке f к чувствительности настроенного на рабочую частоту приемникаUo . Различают избирательность по соседнему и зеркальному каналам, а также по каналу промежуточной частоты. Селективность (избирательность) по зеркальному каналу, отстоящему на две промежуточной частоты в сторону частоты гетеродина.з.к=20lg(Uзк / Uо ) Селективность на промежуточной частоте .пч=20lg(Uпч / Uо ) Селективность по соседнему каналу при f= 5,5МГц .с.к=20lg(Uск / Uо ) Для определения избирательности используют метод одного или двух сигналов. Для определения избирательности приемника в условиях близких к реальным, используем метод двух сигналов, заключающийся в том, что на вход приемника одновременно подают два сигнала, один из которых имитирует полезный сигнал, другой - сигнал помехи.

Измерение двухсигнальной избирательности по соседнему каналу производится следующим образом: берется два ГСС, один из которых настраивается на частоту 2 ГГц, а второй расстраиваем относительно первого на 5,5 МГц в сторону частоты гетеродина

т.е. настраиваем на частоту f= 1994,5МГц

Для повышения точности определения избирательности частоту настройки обоих ГСС контролируем с помощью частотомера. Оба генератора через эквивалент антенны подключаются ко входу приемника, при этом действие системы АРУ должно быть скомпенсировано или система должна быть отключена. Включаем ГСС, настроенный на частоту полезного сигнала и подаем на вход приемника модулированный полезный сигнал, уровень которого равен значению измеренной ранее чувствительности приемника, при этом второй ГСС должен быть выключен, хотя и подключенный ко входу приемника, что нужно для того чтобы создать приемнику на входе условия работы без помех. С помощью селективного вольтметра замеряем напряжение на выходе приемника. Затем выключаем модуляцию первого генератора и включаем второй ГСС, осуществляя требуемую модуляцию мешающего сигнала. Изменяя напряжение мешающего сигнала на выходе второго ГСС добиваемся получения на выходе приемника напряжения, в заданное число раз меньше, чем при подаче полезного сигнала (в данном случае в 10 раз или 20 Дб). Отношение полученного напряжения мешающего сигнала к напряжению полезного сигнала на входе приемника, выраженное в Дб, является показателем избирательности по соседнему каналу. Аналогично производится измерение избирательности по зеркальному каналу и на промежуточной частоте, при этом второй ГСС настраивается на частоту, отстоящую от частоты полезного сигнала на две промежуточных частоты в сторону меньших частот так как

fг = 1.997 ГГЦ < fс = 2ГГЦ или соответственно на частоту равную промежуточной.

ОЦЕНКА КАЧЕСТВА СПРОЕКТИРОВАННОГО РПУ.

В процессе проектирования РПУ были реализованы требования технического задания. Электрическая схема выполнена с применением интегрированных микросхем практически одной

серии К 228, при этом применение стандартных ИЭТ достигает 80, что обеспечивает достаточно высокую технологичность, ремонтопригодность и надежность РПУ. Настройка и регулировка РПУ заключается практически в настройке избирательных систем в процессе изготовления устройства на одну фиксированную частоту, т.е. регулировка устройства в процессе эксплуатации практически не нужна. Предполагаемое применение в качестве источника питания двухполярного источника постоянного тока позволяет уменьшить массу и габариты РПУ и обеспечить его работу в автономном режиме , что не маловажно для РПУ, применяемых в РРЛ связи. Применение микроволновой технологии обеспечивает возможность автоматизации процессов изготовления ППФ и смесителя, что позволяет получить их с более высокими характеристиками, а значит улучшить параметры РПУ. Поскольку мощность потребления РПУ незначительна, то при соответствующей более глубокой проработке все РПУ может быть реализовано по интегральной технологии в виде одной гибридной или интегральной микросхемы БИС.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

Проектирование радиопередающих устройств под редакцией А.П.Сиверса - М: «Советское радио»,1976г

Справочник по учебному проектированию приемно-усилительных устройств под редакцией М.К.Белкина - К : « Высшая школа »,1982г.

Проектирование радиоприемных устройств, В.Д.Екимов, К.М.Павлов - М: « Связь » , 1970г.

Справочник по элементам волноводной техники, А.Л.Фельдштейн - М: « Cоветское радио», 1967г.

Устройство приема и обработки сигналов. Программа и методические указания для студентов специальности 2007, - Красноярск 1992г.

Микроэлектронные устройства СВЧ,под редакцией Г.И.Веселова - М: « Высшая школа », 1988г

Расчет системы АРУ транзисторных усилителей . С.А.Подлесный - Красноярск,КПИ, 1972г.

Радиоприемные устройства. Методическое указание к выполнению контрольных заданий и курсового проектирования по курсу РПУ, - Красноярск ,1975г.

Расчет радиоприемников. Н.В.Бобров и другие - М: « Воениздат », 1971г.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ Разработка радиоприемного устройства иьпульсных сигналов

ПАРАМЕТРЫ ПРИЕМНИКА:

Частота – 2 ГГц

Вид модуляции – ВИМ

ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПРИЕМНИКУ СВЧ ДИАПАЗОНА:

Отношение сигнал / шум на выходе линейной части приемника 10

Допустимое изменение амплитуды сигнала на выходе линейной части 6 дБ

Длина фидера 4 м

Затухание сигнала в фидере 0,02 дБ/м

Выходное напряжение приемника + 5 В

Сопротивление нагрузки 150 Ом

Емкость нагрузки 10 пФ

Интервал температур -20…+45°С

ПАРАМЕТРЫ ПРИЕМНИКА:

Длительность импульсов 1,2 мкс Время установления сигналов на выходе 0,24 мкс

Средний период следования импульсов 2,8 мкс

Относительная нестабильность несущей частоты принимаемого сигнала 4·10^-5

^{Шумовая температура антенны 160˚К}

^{Реальная чувствительность 4•10-12 Вт}

^{Ослабление зеркального канала 25 дб}

^{Ослабление соседнего канала при расстройке 5,5 МГц 25 дб}

^{Динамический диапазон входного сигнала 80 дб}