Цифровой канал радиосвязи с разработкой радиоприемного устройства и электрическим расчетом блока усилителя радиочастоты

Содержание

1. Введение

2. Анализ технического задания.

3. Энергетический расчёт

4. Оценка достоверности цифровой информации в канале связи

5. Выбор типа структурной схемы радиоприёмника

6. Выбор промежуточных частот радиоприёмника

7. Разработка функциональной схемы приёмника

8. Электрический расчёт усилителя радиочастоты

9. Заключение

10. Список литературы

 Введение.

В настоящее время к современным радиоприёмникам военного назначения предъявляются высокие требования по массово - габаритным характеристикам, малому энергоснабжению, безотказной работы в течение всего срока эксплуатации, которые, прежде всего, определяются особенностями его эксплуатации.

Целью данной курсовой работы является разработка цифрового канала радиосвязи, с электрическим расчётом усилителя радиочастоты радиоприёмника.

В соответствии с поставленной задачей был проведён анализ технического задания с целью разработки цифрового канала радиосвязи, с электрическим расчётом усилителя радиочастоты радиоприёмника при конкретных технических требованиях. В данной курсовой работе была разработана функциональная модель цифрового канала радиосвязи, а также был проведён его энергетический расчёт заданным техническим требованиям.

Кроме того, по результатам, полученным в данной курсовой работе, была выбрана наиболее целесообразная структурная схема приёмного устройства, на основании которой разработана его функциональная и принципиальная схемы.

Высокие требования, предъявляемые к современным военным радиоприёмникам и с учётом современной элементной базы, был произведён электрический расчёт усилителя радиочастоты, и на основе полученных результатов была синтезирована его принципиальная схема.

Анализ технического задания.

В исходных данных технического задания отсутствуют требования по климатическим условиям эксплуатации приёмника, а также вероятность его нормальной работы за среднее время наработки на отказ T_отк.ср.

С учётом того, что радиоприёмник будет эксплуатироваться в войсках, то есть работать в полевых условиях или же в закрытых, не отапливаемых, зачастую во влажных помещениях, то были выбраны самые жёсткие условия эксплуатации.

Согласно ГОСТ 24375-80 для территории Российской Федерации диапазон рабочих температур составляет от -50⁰С до +50⁰С, при влажности окружающей среды не более 90%.

С целью обеспечения требуемой надёжности эксплуатации предлагается двукратное дублирование радиоприёмника, то есть так называемый «горячий резерв».

Исходя из этих условий, значение вероятности нормального функционирования было выбрано P=0,998, за среднее время эксплуатации Т_{отк ср}=3000 часов.

С учётом исходных данных технического задания и, разработанных требований эксплуатации был произведён энергетический расчёт цифрового радиоканала.

Энергетический расчёт УКВ радиоканала.

1. С учётом исходных данных в начале была рассчитана полоса пропускания

радиоприёмника по [5]:

=(1,1…1,2)*F_с ,

где значение F_с для сигнала с амплитудной манипуляцией выбирается из условия:

F_с= ,

где U_m=R_k

Исходя из этого, было вычислено значение:

2. В соответствии с техническим заданием и условиями работы определена чувствительность радиоприёмника по формуле:

U_тр=2*, (1)где

 T=273 K - температура окружающей среды в Кельвинах;

K=1,38*10^-23(Дж/к) - постоянная Больцмана;

N=6 - коэффициент шума приёмника;

R_a=75 Ом - входное сопротивление антенны;

=792 Гц;

 h=9 - заданное превышение мощности сигнала над мощностью шума (помехи) на входе приёмника.

Таким образом:

U_тр=2*=0,21*10^-6(В).

3.Определена зона расположения приёмника.

Освещена зона (зона прямой видимости) найдена согласно [5]:

L_пр=3,57*(), (2)

При этом нижняя зона блокирования определена по формуле [5]:

L_бл=18*, (3)

Где - эквивалентные высоты антенн

- минимальная длина волны в используемом диапазоне 30…60 МГц

=300/F_max, где F_max=60МГц; (4)

=с/F_max=3*10⁸/6*10⁷=5 м. (5)

Подставляя в формулу значения ,и были получены:

, (6)

где R_ЭЗ=8,5*10⁶м - эквивалентный радиус Земли.

=3,6 м.

L_бл=18*=46,6(м).

L_пр=3,57*()=26,7(км).

Сравнивая требуемую дальность радиосвязи L_св со значением L_пр,получим L_прL_св,

то есть 26,7(км)90(км). Следовательно, расчёт напряжённости электромагнитного поля в точке приёма был произведён по формуле Фока, которая имеет следующий вид:

E_Д= , (8), где:

L - длина радиолинии;

L_пр- расстояние прямой видимости;

v - коэффициент дифракции;

P₁ - мощность подводимая к передающей антенне;

G - коэффициент усиления антенны ПРДУ;

- средняя длина волны;

R_зэ - эквивалентный радиус Земли (8500 км);

E_Д==0,00015 В/м;

4. Зная напряжённость электромагнитного поля в точке приёма, определим действующее значение напряжения на входе приёмника в точке приёма:

U_Д=Е_Д*Н_Д, (9) где

Н_{д сим}=()*tg(k*l)/, (10)где

 - средняя длина волны рабочего диапазона;

 l - длина одного плеча симметричного вибратора;

k=(2*3,14)/7,5=8,37 (1/м);

l=/4=1,875 м;

Н_{д сим}=()*tg(k*l)/=8,66*10^-3м;

Н_{д несим}=0,5*Н_{д сим}=4,33*10^-3 м.

U_Д=Е_Д*Н_Д=0,00015*4,33*10^-3=0,65*10^-6 В

Проверено выполнение следующего условия: U_ДU_тр065*10^-6021*10^-6. Из этого вытекает, что радиоприёмное устройство будет уверенно принимать сигнал.

5. Рассчитано номинальное значение отношения сигнал/шум на входе приёмника:

9(0,65*10^-6/0,21*10^-6)²=86;

После расчёта канала связи была проведена оценка достоверности цифровой информации в канале связи.

Оценка достоверности цифровой информации в канале связи.

Оценка достоверности цифровой информации в канале связи проведена с учётом вероятности отказа системы связи без учёта отказа аппаратуры канала связи (техники),

т.е. Р_отк=0

Результатом проведения энергетического расчёта является обеспечение требуемого отношения мощности полезного сигнала к мощности шума плюс помеха  на входе линейной части приёмника. В заданной полосе пропускания при фиксированной дальности связи L и мощности передатчика P. Тогда по заданному виду сигнала (модуляции), в данном случае сигнал АМ, для фиксированного значения по известной зависимости  в приёме дискретного символа.

При известной длине сообщения, в данном случае длина сообщения N=720 , вероятность доведения некодированного сообщения определяется из графической зависимости P_дов=(1-P_Э)^N, где P_Э=1,25*10^-2, определяется из графической зависимости

P_Э=f(),

P_дов=(1-1,25*10^-2)⁷²⁰=0,000116604;

После расчёта вероятности доведения информации необходимо проверить условие Р_довР_{дов треб} или 0,0001166040,999, то есть такая вероятность доведения информации меньше требуемой. Для повышения вероятности доведения информации

 необходимо либо увеличивать мощность передатчика с целью увеличения , а это в данном случае невозможно и не выгодно, либо применять помехоустойчивое кодирование, которое не требует дополнительных энергетических затрат, а требует лишь возможности расширения полосы пропускания канала связи в n/k раз, по сравнению с некодированной системой связи при фиксированном времени доведения сообщения T, использовать кодирование информации. Выбираем код (n,k,d)=(15,10,4), где

n - длина кодовой комбинации;

k - количество информационных символов;

d - минимальное кодовое расстояние.

Вероятность ошибки: Р_0(n,k,d)=2,8*10^-3

P_тр=1-(1-Р_0(n,k,d))^n/k=5,36*10^-9;

Следовательно, если мы сравним с требуемым значением =10^-7,

 P_трP_{тр треб}5,36*10^-910^-7, из этого можно сделать вывод о том, что выбранный нами код правильный.

Р_пр=1-(1-8,7*10^-4)²³=0,99975;

Р_дов=0,99964;

Р_{пр дек}=, где

t_и=1 - число гарантированно исправляемых кодом ошибок,

Р_эк=1,75*10^-2, исходя из этого вычисляем вероятность правильного декодирования:

Р_пр.дек=0,9998.

Вероятность ошибки на бит информации Р₀ , которая отдаётся получателю, определяется по формуле:

Р₀=(1- Р_пр.дек)/2=0,0001,

Следует отметить, что именно значение Р₀ является одним из ключевых требований, которые предъявляет заказчик на проектируемую систему связи, при этом обязательно должно выполняться условие Р₀Р_0.тр, в данном случае это условие выполняется.

Вероятность доведения сообщения, кодируемого (n, k d_min), то есть (15,10,4), кодом определяется следующим выражением:

Р_дов=(Р_пр.дек)^N/K=0,9998^720/10=0,9996,

Данная вероятность доведения сообщения с использованием кода не менее требуемой.

Важным параметром дискретной системы связи является вероятность трансформации сообщения, которая определяется следующим выражением:

Р_{тр N}==1-[1-P_но(n,k,d)]^N/K,

где P_но(n,k,d)= - выражает вероятность необнаруженной ошибки (трансформации) кодовой комбинации, которая возникает при L1=3 и более, ошибочно принятых двоичных символах.

L1=t_и+2=3;

Р_{но(15,10,4)}==5,65*10^-8

Р_тр15=1-[1-P_{но(15,10,4)}]^15/10=8,4*10^-9

Таким образом вероятность доведения дискретного сообщения до получателя Р_ДОВ  и связанная с ней вероятность ошибки на бит информации Р₀, вероятность трансформации сообщения Р_тр15 при заданных дальности радиосвязи, частотно - временных и энергетических затратах являются важнейшими тактико-техническими показателями связи.

P_довP_{ДОВ.ТРЕБ},  при Т=const;

Р₀ Р_0ТРЕБ, при L=const ;

Р_{тр n}Р_{тр n ТРЕБ}, при Р₁=const;

Для разрабатываемой системы радиосвязи обеспечивается выполнение указанных условий при наименьших частотно-временных и энергетических затратах, то есть в этом смысле она почти оптимальна.

Далее был проведён выбор структурной схемы приёмника.

ВЫБОР ТИПА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ РАДИОПРИЁМНИКА

Современные связные приёмники чаще всего строятся по супергетератинной схеме, что позволяет реализовать наибольшую чувствительность и избирательность по сравнению с другими типами схем. Однако супергетератинным приёмникам свойственны определённые недостатки:

*            наличие «зеркального канала»;

*            наличие «паразитных» радиочастотных излучений гетеродинов;

*            наличие «паразитных» условий и амплитудной модуляции сигнала за счёт внутренних помех в системе стабилизации.

Указанные недостатки необходимо учитывать при выборе типа структурной схемы. Структурная схема радиоприёмника - это графическое изображение, дающее представление о структуре радиоприёмника и состоящее из функциональных частей и связей между ними.

Основой для выбора структурной схемы связного радиоприёмника являются технические требования:

*            к относительному изменению частоты подстройки радиоприёмника;

*            к чувствительности радиоприёмника;

*            к избирательности по «зеркальному» и соседнему каналам;

Из двух возможных вариантов с одним или двойным преобразователем, была выбрана схема с двойным преобразователем частоты, так как только она обеспечивает требования селективности и требования технического задания.

Входная цепь выполняет следующую функцию: обеспечивает подстройку приёмной антенны и входного фильтра радиоприёмника на заданную рабочую частоту.

С входной цепи сигнал поступает на усилитель радиочастоты, который обеспечивает выполнение заданных требований по избирательности относительно зеркального канала и осуществляет предварительное усиление принимаемого сигнала и исключения паразитного излучения гетеродинов. В первом и во втором смесителе осуществляется преобразование частоты радиосигнала соответственно в сигналы первой и второй промежуточных частот. Гетеродинные напряжения поступают с синтезатора частот. В первом и во втором усилителе промежуточной частоты осуществляется усиление сигналов первой и второй промежуточных частот. Со второго усилителя промежуточной частоты сигнал поступает на детектор. В зависимости от вида модуляции принимаемых сигналов детектор может быть амплитудным, частотным, фазовым или пиловым. Для обеспечения оперативного управления и контроля современные радиоприёмники имеют в своем составе устройство управления и контроля. Синтезированная структурная схема представлена на рисунке 1. Далее сделаем выбор промежуточных частот.

ВЫБОР ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ЧАСТОТ

Важным этапом проектирования является выбор номиналов промежуточных частот радиоприёмника. Значения промежуточных частот могут быть оценены с помощью соотношений:

 f_1ПР,(11)

f_2ПР, (12)

Где

f_{0 max} - верхняя частота диапазона радиоприёмника;

а - параметр рассогласования антенно-фидерного устройства и выхода радиоприёмника (а=1 при настроенной антенне в режиме согласования);

d_{3 ТР} =1000 - требуемое подавление зеркальной помехи;

Q_РЧ=50 - результирующая добротность контуров тракта радиочастоты;

f_ПЧ=792 Гц - полоса пропускания тракта ПЧ;

Q_ПЧ=50 - добротность контуров тракта ПЧ;

F(П_ПЧ)=0,64 - функция, учитывающая особенности тракта ПЧ;

f_1ПР134 МГц,

f_2ПР254,43 Кгц.

С точки зрения унификации были выбраны значения промежуточных частот:

f_1ПР=14 МГц,

f_2ПР=265 КГц.

После выбора структурной схемы и определения промежуточных частот была синтезирована функциональная схема.

РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ

Функциональная схема - это графическое изображение радиоприёмника, представленное его основными функциональными частями и связями между ними в виде условных графических обозначений, установленных в стандартах ЕСКД.

На этапе разработки функциональной схемы радиоприёмника необходимо решить следующие основные задачи:

*            произведено разбиение диапазона рабочих частот на поддиапазоны;

*            проведено распределение избирательности по трактам;

*            произведено распределение усиления радиоприёмника по трактам;

*            проведен выбор элементной базы для основных каскадов радиоприёмника;

*            определён состав трактов;

При проектировании радиоприёмника предназначенного для работы в широком диапазоне радиочастот, заданный диапазон рабочих частот должен быть разбит на несколько поддиапазонов. На практике применяются два основных способа разбиения на поддиапазоны: способ равных коэффициентов перекрытия К_ПД

способ равных частотных поддиапазонов

К_ПД=f₂/f₁=f₃/f₂=...=f_n/f_n-1,

f_ПД=f₂-f₁=f₃-f₂;

При распределении усиления было учтено, что в первых каскадах оно ограничено от 5 до 10, в тракте первой промежуточной частоты, усиление в тракте УЗЧ должно быть с учётом оконечных устройств.

На завершающем этапе разработки функциональной схемы радиоприёмника решается задача выбора количества и типов каскадов трактов радиочастоты, промежуточной и звуковой частот.

Рассчитаем количество поддиапазонов следующим образом:

К_ПД=f_max/f_min=60/30=2,

следовательно схема имеет два полосовых фильтра.

Таким образом, исходя из решения задачи функциональная схема имеет вид, представленный на рис.2 Входной сигнал поступает на антенно-фидерное устройства и входа первого каскада усилителя радиочастоты.. также эти фильтры осуществляют селекцию принимаемого сигнала. Выделенный в фильтрах Z1 и Z2 полезный сигнал поступает на усилитель радиочастоты, в котором осуществляется усиление, а также осуществляется избирательность по зеркальному каналу. Для этого к выходу усилителя радиочастоты подключают фильтр. В целом этот тракт является трактом радиочастоты. Он осуществляет первичную обработку радиосигнала. Поэтому сигнал, поступивший на преобразователь 1 промежуточной частоты окончательно «взберется по зеркальному каналу и помощью фильтра выделится полезный сигнал.

Помехи и низкочастотные составляющие отфильтровываются. После смесителя сигнал усиливается. Дальнейшая обработка происходит в смесителе и усилителе промежуточной частоты , где осуществляется преобразование по частоте. Далее сигнал попадает в усилитель промежуточной частоты где происходит избирательность по соседнему каналу, то есть помехи ослабляются, АРУ поддерживает требуемое отношение сигнал/шум на выходе фильтра, а также поддерживается постоянным коэффициент усиления радиоприемника, при изменении входного сигнала. Затем сигнал поступает в частотный тракт который в своем составе содержит ограничитель амплитуды, частотный детектор. Продетектированный сигнал усиливается в УЗЧ и поступает на оконечное устройство.

На схеме обозначено:

WA - приемная антенна;

SA₁₁, SA₂₁ - переключатели поддиапазонов;

Z1, Z2 - полосовые фильтры;

A1...A5 - УРЧ:

А1, А2 - усилители радиочастоты;

А3, А4 - УПЧ;

А5 - УЗЧ;

UZ1, UZ2 - смесители;

UR- детектор.

После разработки и обоснования функциональной схемы, был проведен, согласно техническому заданию расчет усилителя радиочастоты.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ РАДИОЧАСТОТЫ.

Для выбора элементной базы разрабатываемого блока, в данном случае это усилитель радиочастоты, произведен электрический расчет. Проведен расчет усилителя радиочастоты одного из поддиапазонов.

Коэффициент усиления усилителя радиочастоты изменяется в пределах от 10 до 20. Частота на которой он работает, изменяется в пределах от 30 до 45 МГц. Исходя из технического задания выбран из справочника тип транзистора, который по своим техническим характеристикам наиболее подходит к рассчитанному блоку усилителя радиочастоты, таким является транзистор ГТ308 В параметры которого:

I_k0=2.5 мА, I_Б0=7 мкА, U_кэ0= 5В, Е_к=12 В.

Для того, чтобы добиться заданных требований по избирательности параметры колебательного контура должны находиться в пределах:

С=10...365 пФ,

собственное затухание контура 0,01...0,03, затухание катушки связи 0,05.

Входом схемы является входная цепь, далее идет каскад преобразователя частоты на транзисторе.

Посколько R_д=1,06, то параметры транзистора и каскада изменяются мало. Поэтому расчет произведен на средней частоте, для которой Y₂₁=0,077 сМ, д₁₁=7 мСм, д₂₂=1 мСм, С₁₁=36 пФ, С_{22=4 пФ.}

Принято : д₁₁0,75*2,8 = 2,1 мСм и С₁₁0,8*36=29 пФ.

Устойчивый коэффициент усиления каскада:

,

расчет проведен на устойчивый коэффициент усиления. Рассчитаем минимальный каскад пропускания:

;

коэффициент включения антенной цепи и входа первого каскада к контуру:

Р₁=

P₂=

L_К=1/()=1,25 мГн

Так как входная проводимость равна 2,1*10^-3 См, то R_ВХ=476 Ом, входная емкость разделительного конденсатора равна С_ВХ=29пф. Конденсатор колебательного контура имеет емкость равную С_кк=10-365 пФ, индуктивность колебательного контура L_rr=1,25 мГН, напряжение питания схемы постоянное 12 В. В соответствии с полученными результатами проведенных расчетов выбрана элементная база.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В данном курсовом проекте, в соответствии с заданием, спроектирован радиоканал цифровой радиосвязи с разработкой радиоприемного устройства и с электрическим расчетом усилителя радиочастоты. Проведен энергетический расчет радиоканала.

При обосновании и выборе структурной схемы радиоприемника, сделан анализ возможных схем радиоприемника, сформулирован критерий по которому может быть выбрана схема проектируемого устройства. Важнейшими параметрами были выбраны : чувствительность и избирательность канала. После выбора схемы электрической структурной радиоприемника обоснованы параметры не указанные в задании на курсовое проектирование.

На этапе разработке схемы электрической функциональной установлены общие принципы функционирования отдельных блоков и всего радиоприемника в целом. Уяснена роль и назначение его отдельных элементов. В процессе синтеза радиоприемника определены не только его каскады в целом, но и место отдельных каскадов тракта радиочастот; тракта промежуточных частот и тд.

На основе схемы электрической функциональной была разработана схема электрическая принципиальная всего радиоприемника. На этом этапе, на основе электрического расчета, также были выбраны полупроводниковые элементы, используемые в схеме.

Разработанное радиоприемное устройство целесообразно использовать в РВСН, так как его характеристики удовлетворяют требованиям предъявляемым к аппаратуре боевого управления, в частности на машине связи.

Дальность связи позволяет использовать данное радиоприемное устройство в позиционном районе ракетного полка для приема сигналов оперативного управления. В тоже время вероятность доведения и трансформации , а также высокая избирательность, позволяют использовать данное радиоприемное устройство для приема сигналов АСБУ.

Рабочий диапазон частот позволяет произвести сопряжение разработанного радиоприемного устройства с другими радиосредствами РК.

Была выбрана неоптимальная с точки зрения элементной базы принципиальная схема. Более целесообразной могла стать схема приемника на одной микросхеме. Например: К174ХА10.

ВЫВОДЫ:

1. Поставленная задача решена полностью.

2. Разработанная схема приемника соответствует требованиям технического задания

ЛИТЕРАТУРА

1. Бобров Н.В., Москва, «Радио и связь», 1981 г., « Расчет радиоприемников».

2. Екимов В.Д,, Павлов П.Н., Связь, 1970 г., «Проектирование РПМИ».

3. Злобин В.И. и др., Серпухов, 1985 г., «Радиопередающие и радиоприемные устройства».

4. Зеленевский В.В., и др., Серпухов, 1994 г., «Радиопередающие устройства».

5. Зеленевский В.В., и др., Серпухов, 1992 г., «Проектирование цифровых каналов связи».

6. Хиленко В.И., Малахов Б.М., Москва, «Радио и связь», 1991 г., «Радиоприемные устройства».