Скачать

Проектирование судового радиоприёмного устройства

Радиоприёмное устройство является элементом любой системы радиосвязи и предназначено для приёма радиосигналов, их преобразования и извлечения из них информации.

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

Цель работы: необходимо разработать радиоприёмное устройство и электрический расчёт блока усилителя радиочастоты с цифровым каналом радиосвязи и блоком вторичной обработки информации.      

В соответствии с поставленной задачей произведём анализ технического задания с целью разработки цифрового канала радиосвязи с электрическим расчётом усилителя радиочастоты радиоприёмника при конкретных технических требованиях. В данной курсовой работе разработаем функциональную модель цифрового канала радиосвязи, а также произведём его энергетический расчёт в соответствии с заданными техническими требованиями.

Кроме того, по полученным результатам в данной курсовой работе, выберем наиболее целесообразную структурную схему приёмного устройства, на основании которой разработаем его функциональную и принципиальную схемы.

Учитывая требования, предъявляемые к современным радиоприёмникам и с учётом современной элементной базы, произведём электрический расчёт усилителя радиочастоты, и на основе полученных результатов была предложена его функциональная и 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 на морских судах, то есть работать в условиях агрессивной среды или же в закрытых, не отапливаемых, зачастую во влажных помещениях, то были выбраны самые жёсткие условия эксплуатации.

Согласно резолюциям ИМО диапазон рабочих температур составляет от -50⁰С до +50⁰С, при влажности окружающей среды 95%.

С целью обеспечения требуемой надёжности эксплуатации рекомендуется 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 произведём энергетический расчёт цифрового радиоканала.

Энергетический расчёт СВ-ПВ радиоканала

С учётом исходных данных в начале рассчитаем полосу пропускания радиоприёмника по формуле:

,

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

= ,

U_m=B/ R_e log₂m

Где B=100 Бод-скорость телеграфирования;

R_e=50 Ом-сопротивление эквивалента антенны;

m=1,2,3,…

Исходя из этого, было вычислено значение U_m

U_m=100/50·log₂2=2 В

Отсюда F_c=5*2=10 Гц, тогда =1.2*2=2.4 Гц

В соответствии с техническим заданием и условиями работы определим чувствительность радиоприёмника по формуле:

,                               (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=50 Ом - входное сопротивление антенны;

=2 Гц;

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

Таким образом:

В

3.Определена зона расположения приёмника.

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

 (),                                (2)

При этом нижняя зона блокирования определена по формуле (5):

,                              (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.

= 10.9 м.

L_бл=18*= 18*10.9*10.9/5= 427.72 (м).

L_пр=3,57*() = 31.93(км).

Сравнивая требуемую дальность радиосвязи L_св со значением L_пр,получимL_пр>L_св, то есть 31,93(км)<90(км). Следовательно, расчёт напряжённости электромагнитного поля в точке приёма произведем по формуле Фока, которая имеет следующий вид:

E_Д= ,             (8)

где: L - длина радиолинии;

L_пр - расстояние прямой видимости;

v =0,2- коэффициент дифракции;

P₁ - мощность подводимая к передающей антенне;

G - коэффициент усиления антенны ПРДУ;

=λ_min+λ_maх/2средняя длина волны, где λ_maх=с/F_min=3*10⁸/30*10⁶=10 м;

тогда =5+10/2=7,5 м, R_зэ- эквивалентный радиус Земли (8500 км);

E_Д== 0,0000394 В/м;

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

U_Д=Е_Д*Н_Д,(9)

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 =0,837 (1/м);

l=/4=1,875м

Н_{д сим}=()*tg(k*l)/=(7,5/π)* tg(0,837*1,875)/7,5 =8,72*10^-3м

Н_{д несим}=0,5*Н_{д сим}=4,36*10^-3 м.

U_Д=Е_Д*Н_Д=0,0000394*4,36*10^-3=1,72*10^-6 В

Проверено выполнение следующего условия:

U_ДU_тр1,72*10^-60,21*10^-6.

Из этого вытекает, что радиоприёмное устройство будет уверенно принимать сигнал.

Рассчитано номинальное значение отношения сигнал/шум на входе приёмника:

9(1,72*10^-6/0,21*10^-6)² = 603

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, гдеP_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_дов>Р_{дов треб} или 0,00011604<0,999, 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_тртр треб5,36*10^-9 <10^-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=0,99944

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 Р₀является одним из ключевых требований, которые предъявляет заказчик на проектируемую систему связи, при этом обязательно должно выполняться условие Р₀ < Р_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_тр15при заданных дальности радиосвязи, частотно - временных и энергетических затратах являются важнейшими тактико-техническими показателями связи.

P_довP_{ДОВ.ТРЕБ}, при Т=const

Р₀Р_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 супергетеродинным 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.

Радиоприемник, использующий супергетеродинный метод приема отличается от радиоприемника прямого усиления наличием преобразователя частоты. Структурная схема содержит следующие элементы: антенна, усилитель радиочастоты (УРЧ) преобразователь частоты, усилитель промежуточной частоты, детектор, усилитель низкой частоты и оконечное устройство.

 Рисунок 1.1 Структурная схема супергетеродинного приёмника

Преобразователь частоты состоит из смесителя и гетеродина. Гетеродин - это маломощный генератор, вырабатывающий частоту f_r. На вход смесителя подается напряжение частоты сигнала f_c и напряжение с выхода гетеродина f_r.

В результате взаимодействия двух этих частот на выходе смесителя появляется сигнал, содержащий множество комбинационных составляющих, в то числе и составляющую, частота которой равна разности двух этих частот f_c-f_r. Величина этой разности может быть выше или ниже частоты сигнала, но обязательно выше частоты модуляции, поэтому ее называют промежуточной. Таким образом, можно записать:

F_пр = fг- fc при fг > f_c                                  (1.1)

F_пр = fc - fг при fr < f_c                                                    (1.2)

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;

На промежуточную частоту настроена резонансная система, включенная в выходную цепь смесителя, что позволяет при соответствующей полосе пропускания выделить напряжение сигнала на промежуточной частоте. Следовательно, назначение преобразователя - преобразование частоты радиосигнала в другую промежуточную частоту с сохранением закона модуляции. В случае работы радиоприемника в диапазоне частот перестраиваются только избирательные цепи тракта радиочастоты, и изменяется частота гетеродина так, чтобы разность их настройки всегда была равна выбранной промежуточной частоте. Следует подчеркнуть, что настройка радиоприемника на частоту принимаемого сигнала определяется, прежде всего, настройкой гетеродина.

Входные контуры и контуры усилителя высокой частоты могут быть не перестраиваемыми, но с полосой пропускания, равной диапазону рабочих частот.

Усилитель, который усиливает сигнал на промежуточной частоте, получил название усилителя промежуточной частоты. Таким образом, в супергетеродинном радиоприемнике усиление и выделение радиосигнала осуществляется на трех частотах: на радиочастоте, промежуточной частоте и частоте модуляции (низкой частоте).

Соответственно участки радиоприемника, на которых происходит соответствующее усиление, называют трактом радиочастоты, промежуточной частоты и низкой частоты. Постоянство промежуточной частоты позволяет использовать в усилителе промежуточной частоты сложные избирательные системы, имеющие частотную характеристику, весьма близкую по форме к прямоугольной.

Рисунок 1.2 Образование зеркального канала при супергетеродинном методе приёма.

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.

Супергетеродинный метод приема по сей день остается основным, так как он позволяет обеспечить устойчивый прием весьма слабых сигналов в условиях интенсивных помех. Сверхминиатюризация элементной базы не изменила основного принципа построения структурной схемы супергетеродинного радиоприемника, хотя он может представлять собой очень сложное устройство, в котором производится не одно, а несколько преобразований частоты сигнала.

Наряду с достоинствами супергетеродинный метод приема имеет существенные недостатки. Наиболее серьезный из них - так называемые побочные каналы приема. В радиоприемнике прямого усиления основными источниками помех служат соседние по частоте станции. Побочные каналы приема создаются в супергетеродинном приемнике в процессе преобразования частоты. Так, один из таких каналов, наиболее опасный, образуется следующим образом. На входе радиоприемника всегда действует множество сигналов различных частот, среди которых может оказаться частота, удовлетворяющая условию формирования промежуточной частоты. Причем, если в радиоприемнике принято условие f_г>f_c, то частота побочного канала f_3K>f_r . относительное расположение частот для этого случая показано на рисунке 1.2.

Частота f_3K отстоит от частоты гетеродина f_r на такое же расстояние, что и частота принимаемого сигнала f_с. Поэтому канал, по которому проникает помеха на частоте f_3K, называют симметричным или зеркальным. Для случая f_rc частоты f_c и f_3K поменяются местами.

Второй побочный канал приема, по которому может проникать специфическая для супергетеродинного приема помеха, возникает на частоте, равной промежуточной f_npc. Поскольку фильтр, включенный в выходную цепь смесителя, настроен на промежуточную частоту, смеситель для сигналов, у которых f_c = f_np , является усилителем. Эту помеху называют помехой прямого прохождения.

Для того, чтобы уменьшить помеху прямого прохождения и помеху по зеркальному каналу, как и других побочных каналов, необходимо их ослабить до попадания на вход преобразователя. Эта задача выполняется резонансными контурами тракта радиочастоты, который часто называют преселектором (предварительным селектором). Итак, в структурную схему супергетеродинного радиоприемника входят следующие элементы:

1) входное устройство - его назначение такое же, как и в приемнике прямого усиления, но главным образом для обеспечения избирательности по побочным каналам;

2) усилитель радиочастоты - его основное назначение - это повышение соотношения сигнал шум на входе преобразователя и ослабление помех от побочных каналов. Возможно построение супергетеродинного радиоприемника без усилителя радиочастоты;

3) преобразователь частоты - специфический элемент супергетеродинного радиоприемника;

4) усилитель промежуточной частоты - предназначен для выделения спектра радиосигнала из помех, близких по частоте, и усиления его до величины, необходимой для работы детектора сигнала;

5) детектор сигнала - предназначен для преобразования спектра модулированного радиосигнала в спектр частот модуляции;

6) усилитель низкой частоты или усилитель сигнала частот модуляции - его назначение такое же, как и в радиоприемнике прямого усиления.

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=1кГц - 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=134 МГц,

f_2ПР=254,43 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=160/156=1,

следовательно схема имеет один полосовой фильтр.

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.