Скачать

Радиоприемные устройства

Теория РПУ формируется под воздействием, с одной стороны, общих разделов радиоэлектроники, с другой — прикладных отраслей, определяющих элементную базу приемных устройств и тесно связанных с технологией производства радиоэлектронной аппаратуры и современными средствами автоматизации проектирования и производства. На теорию РПУ влияют:

1. Разнородность задач, решаемых приемными устройствами. Можно перечислить следующие области применения радиосистем, в которых используются приемные устройства: радиосвязь, радиовещание, телевидение, наземные радиорелейные линии, спутниковые радиорелейные линии, космическая связь, радиолокация, радионавигация, радиоуправление, радиотелеметрия, радиометеорология и др.

2. Увеличение функциональной сложности современных приемных устройств, интеграция ряда функций смежных устройств. Помимо традиционных задач усиления, избирательности и преобразования по частоте сигнала в РПУ производятся поиск и обнаружение сигнала, демодуляция, синхронизация по несущей, поднесущей и тактовой частотам, слежение за задержкой, оптимальное выделение сигнала из смеси с шумом или другими мешающими сигналами, адаптация к неизвестному сигналу, управление активной антенной решеткой и т. п. В состав современных РПУ, в том числе и вещательных, входят синтезаторы, устройства цифрового управления и отображения информации, микропроцессоры.

3. Широкое использование в РПУ больших интегральных микросхем (БИС), являющихся сложными (крупноблочными) функционально законченными изделиями с заранее заданными параметрами.

4. Разнородность элементной базы.

5. Использование технологии микроэлектроники при производстве части узлов приемных устройств.

6. Непрерывное обновление элементной базы. Уровень интеграции изделий микроэлектроники в среднем за год возрастает вдвое. Средний срок «жизни» ИС не превышает 10 лет.

7. Внедрение цифровой обработки сигнала.

8. Существенное углубление и систематизация теоретических знаний практически по всем направлениям радиотехники.

9. Многовариантность задачи проектирования (существует, как правило, несколько внешне равноценных способов реализации сформулированных в техническом задании условий).

10. Повышение роли вычислительных методов при проектировании приборов, механизация и автоматизация процессов проектирования и производства.

Перечисленные факторы привели к изменению содержания теории радиоприемных устройств, а также к дифференциации ее на узкие направления, такие как системотехника приемных устройств, схемотехника интегральных микросхем, микросхемотехника СВЧ устройств, активные RC- и LC-фильтры, цифровая обработка сигнала и т. п.

Дифференциация теории РПУ и ее тесная связь со смежными прикладными отраслями знаний затрудняет компактное изложение этой теории.

2.2 Иерархическая структура радиоприемного устройства

Примерную структурную схему приемного устройства можно изобразить в виде пяти функциональных блоков (трактов, рис. 1.3, а).

Усилительный (усилительно-преобразовательный УТ) тракт принимает сигнал (по возможности без потерь) от антенны, отфильтровывает его от помех, смещает спектр входного сигнала на промежуточную частоту, на которой производится основная обработка сигнала, усиливает его. Под обработкой сигнала здесь и далее мы будем понимать все преобразования сигнала (усиление, фильтрацию, ограничение, демодуляцию и т. д.), которые производятся в РПУ для выделения из сигнала заложенной в нем информации.

В состав усилительного тракта могут входить вспомогательные узлы — система АРУ, ограничитель, логарифмический усилитель и т. п., влияющие на амплитудную характеристику усилительного тракта, но не вносящие искажений в принимаемую информацию.

Рис. 1. примеры структурных схем 3-го(а), 2-го(б) и 1-го(в) уровней иерархии радиоприемного устройства.

Информационный тракт (ИТ) производит основную обработку сигнала. Он включает оптимальный фильтр, в значительной степени определяющий помехоустойчивость приемного устройства, демодулятор сигнала, а также цепи последетекторной обработки (фильтр нижней частоты, регенератор кода и т. п.). В состав информационного тракта могут также входить вспомогательные узлы — следящие системы автоматической подстройки фазы или частоты (ФАП или ЧАП), улучшающие качество работы демодулятора сигнала, а также осуществляющие поиск и сопровождение сигнала по частоте, фазе, задержке.

Синтезатор частот (СЧ) или гетеродинный тракт преобразует частоту внешнего или собственного опорного генератора и формирует из него сетки частот, необходимые для работы преобразователей частоты УТ. Синтезатор позволяет перестраивать приемное устройство на другую входную частоту. Отдельные синтезаторы могут входить в состав следящих систем. Кроме того, синтезатор может формировать сетки частот,, необходимые для работы цифровых устройств обработки сигнала.

Устройство управления и отображения (УУО) реализует в автономном режиме заданный алгоритм работы приемного устройства (включение и выключение, поиск и выбор сигнала, адаптацию к меняющимся условиям работы и т. п.), позволяет оператору вручную управлять приемным устройством и производит отображение состояния и качества работы устройства на соответствующих индикаторах.

Наконец, вторичный источник питания (ВИП) предназначен для преобразования энергии первичного источника (сеть 220 В или борт-сеть 27 В) в форму, удобную для использования непосредственно в приемном устройстве (преобразование напряжения, выпрямление, фильтрация, стабилизация и т. п.).

Если перейти на следующий уровень иерархии, то, например, структурную схему линейного тракта можно изобразить в виде совокупности типовых функциональных узлов — усилителей, преобразователей частоты, устройства АРУ и т. п. (рис. 1.3, б).

Наконец, каждый типовой функциональный узел может быть представлен соединением нескольких операционных звеньев (элементарных функциональных узлов — рис. 1.3, в). Операционное звено — это устройство, производящее над электрическими сигналами операцию, соответствующую одной или нескольким алгебраическим операциям — умножение на постоянный коэффициент (усиление), перемножение двух сигналов, интегрирование и т. п. Примерами операционных звеньев являются отдельный каскад широкополосного усилителя, частотный фильтр, инвертор, аналоговый перемножитель сигналов и т. п.

В процессе синтеза функциональных узлов РПУ часто реальное операционное звено заменяется его идеальным аналогом — устройством, параметры которого не зависят от источника сигнала и нагрузки, а функционирование описывается алгебраическим выражением (рис. 1.3, в). Это позволяет синтезировать структуру типовых функциональных узлов и блоков, не привязываясь к параметрам конкретных ИС, а в дальнейшем, учтя эти параметры, перейти к реальной оптимизированной структуре прибора. Чем ближе будут характеристики реальной микросхемы и идеального звена, тем лучше окажутся параметры узла или блока.

Можно показать, что для построения всех операционных звеньев в аналоговой технике (при известном частотном ограничении) достаточно использовать два звена — усилитель с инвертированием выходного сигнала и перемножитель сигналов. Для придания этим звеньям свойств других звеньев к ним соответствующим образом подключаются линейные двухполюсники — активные или реактивные сопротивления. Для реализации разрывных функций (ограничения сигнала) - необходим также нелинейный двухполюсник — идеальный диод. Перечисленная совокупность двух операционных звеньев в сочетании с линейным и нелинейным двухполюсниками образует минимальную функционально полную систему аналоговых звеньев, на которых можно реализовать (в идеальном случае) все функциональные узлы приемных устройств. Возможен и другой состав функционально полной системы. В качестве физических аналогов операционных звеньев используются обычно универсальные ИС, в частности, для двух исходных звеньев — операционный усилитель и аналоговый перемножитель.

В цифровой технике минимальную функционально полную систему образуют логические схемы, производящие простейшие операции математической логики — операции конъюнкции (И), дизъюнкции (ИЛИ) и инверсии (НЕ).

2.3 Основные параметры радиоприемников

Чувствительностью приемника называется его способность принимать слабые сигналы. Количественно чувствительность оценивается минимальным уровнем принимаемого сигнала, при котором переданная информация воспроизводится с удовлетворительным качеством.

Селективностью называют свойство приемника выделять полезный сигнал принимаемой станции из множества других, отличных по частоте. Количественно селективность оценивается по частотной характеристике высокочастотных каскадов отношением усиления на резонансной частоте К₀ к усилению К_Δf при расстройке Δf, соответствующей частоте помехи:

σ_Δf =201g(K₀ /К_Δf),

или отношением чувствительности приемника U_Δf при расстройке Δf к чувствительности настроенного приемника U₀ (рис. 1.).

Различают селективность по соседнему и зеркальному каналам, а также по каналу промежуточной частоты. (ПЧ).

Селективность по соседнему каналу

σ_с.к.= 20 Ig (U_Δf / U₀)

где Δf—растройка несущей частоты соседней станции относительно f₀.

Селективность по зеркальному каналу, отстоящему на две промежуточные частоты в сторону частоты гетеродина,

σ_з.к = 20 Ig(K₀ /К_з.к.)= 20 Ig (U_з.к. / U₀)

Селективность по промежуточной частоте

σ_пч = 20 Ig(K₀ /К_пч)= 20 Ig (U_пч / U₀)

Формулы указанные выше характеризуют односигнальную селективность. В реальных условиях на приемник действует не один, а два или более сигналов и вследствие нелинейных эффектов реальная или эффективная селективность будет меньше. При испытаниях измеряют двухсигнальпую селективность, когда на приемник воздействуют одновременно полезный и мешающий сигналы.

Частотные характеристики приемника могут определяться по высокой ити низкой частоте. В последнем случае снимают сквозную характеристику (кривую верности) — зависимость выходного напряжения приемника от частоты модуляции входного сигнала. Частотные искажения определяют по кривой верности, которая фактически является произведением частотной характеристики приемника по высокой частоте и частотной характеристики низкочастотного тракта. Неравномерность усиления М_пр в пределах полосы пропускания F_H...F_B определяется общим коэффициентом частотных искажений

М_пр = М_ВЧМ_НЧ.

где М_ВЧ и М_НЧ — коэффициенты частотных искажений высокочастотного и низкочастотного трактов соответственно. М_ВЧ определяет, в основном, общую неравномерность на F_B, а М_НЧ — на F_H.

Переходной характеристикой приемника называют зависимость во времени напряжения сигнала на выходе при воздействии на его вход единичного скачка модулируемого параметра. Выбор параметра (амплитуды, частоты или фазы) определяется применяемым видом модуляции. Выходное напряженно возникает с задержкой и часто имеет выбросы.

Амплитудная характеристика — зависимость выходного напряжения от э. д. с. в антенне (при амплитудной модуляции). При других видах модуляции—от глубины модуляции. Нелинейные искажения и динамический диапазон определяются по тем же формулам, что и для усилителей.

Выходная мощность различается следующим образом: номинальная — наибольшая мощность, при которой нелинейные искажения сигнала не превышают заданной нормы, соответствует 100 % модуляции сигнала; нормальная мощность, составляющая 0,1 номинальной, соответствует глубине модуляци 30%; стандартная мощность, равная 50 мВт (для радиовещательных приемников).

Выходное напряжение — напряжение, снимаемое с нагрузки последнего (оконечного) каскада и подводимое к воспроизводящему прибору. Для телевизионных и радиолокационных приемников задается именно выходное напряжение, а не мощность.

Диапазон рабочих радиочастот — интервал частот, в пределах которого приемник при перестройке сохраняет свои основные параметры. Характеризуется коэффициентом перекрытия приемника

В связных приемниках k_np > 100. Помимо диапазонных приемников существуют приемники с фиксированной настройкой (телевизионные, маркерные, некоторые типы радиолокационных).

Частотная точность — разность между частотой настройки приемника f₀ и частотой принимаемого сигнала f_с. Характеризуется относительной расстройкой:

Нестабильность настройки приемника во время работы под влиянием дестабилизирующих факторов (изменение температуры, атмосферного давления, влажности) оценивается изменением частоты настройки или  за определенный промежуток времени, например за сутки. У высококачественных профессиональных приемников суточная относительная нестабильность достигает 10^-8 ... 10^-12.

Полоса пропускания — интервал частот, в пределах которого при данной настройке приемника частотные искажения не превышают заданного уровня. Полосы пропускания зависят от типа приемника и вида принимаемых сигналов и могут принимать значения от нескольких десятков герц для телеграфных приемников до десятков мегагерц у радиолокационных и телевизионных приемников.

3. Расчетная часть

3.1 Расчет полосы пропускания линейного тракта приемника

П_ПЧ=2,4 МГц

Полоса спектра сигнала: П_С= П_ПЧ

Полоса пропускания линейного тракта приемника с учетом того, передатчик и приемник неподвижны относительно друг друга определяется по формуле:

 (3.1)

где - полоса спектра сигнала; - запас полосы, требуемый для учета нестабильности и неточности настроек приемника.

Величина  определяется по формуле:

 (3.2)

Где - относительная нестабильность частоты сигнала; - относительная нестабильность частоты гетеродина; - неточности настроек гетеродина и УПЧ.

По ГОСТ на радиовещательные передатчики

Исходя из этого примем:

Частота гетеродина:  нижняя настройка гетеродина

Относительная нестабильность частоты транзисторного гетеродина без кварцевой стабилизации

Неточность настроек частоты гетеродина

Неточность настроек частоты УПЧ

Подставив полученные значения в (3.2) найдем запас полосы, требуемый для учета нестабильности и неточности настроек приемника

Подставив полученные значения в (3.1) найдем полосу пропускания линейного тракта приемника:

3.2 Расчет ВЦ

ВЦ с трансформаторной связью с антенной и емкосной с УВЧ. (рис. 6)

Рис. 2. Схема ВЦ.

Выбираем полную емкость схемы, используя данные таблицы 1.

Таблица 1.

Для заданной в ТЗ частоты сигнала С_сх≈14пФ

Выбираем собственное затухание контура, используя данные таблицы 2.

Таблица 2.

Для диапазона метровых волн d=0,005

Рассчитаем коэффициент включения фидера  и входа УВЧ  для согласования при заданном d_эрконтура входной цепи.

d_эр – эквивалентное затухание контура преселектора с учетом потерь, вносимых источником сигнала и нагрузкой. Если промежуточная частота задана, то эквивалентное затухание следует выбирать из условия d_эр≥0,02..0,01.

Выберем d_эр=0,04

 (3.3)

где  - полная емкость схемы;  - волновое сопротивление фидера;

=13 мСм.

Так как используется настроенная антенна, то

 Ом

Подставив известные значения в (3.3) найдем коэффициент включения фидера: =0,127

 (3.4)

 - входное сопротивлении УВЧ (ОЭ); d – собственное затухание контура.

Рис. 3. Зависимость входной проводимости транзистора ГТ311Е от частоты и тока коллектора

Пользуясь графиком (рис. 3.) найдем параметр  при f_c=120 МГц и токе коллектора 3 мА. =12,6 мСм. Тогда

Подставив полученные значения в (3.4) найдем 0,112

Емкость контура рассчитаем по формуле

 (3.5)

где - паразитная емкость катушки контура;

 - емкость монтажа;

 - входная емкость каскада.

Из графика (рис. 3.) определим параметр

. Тогда

пФ

Подставив значения в (3.5) найдем  пФ

Находим индуктивность контура:

Находим индуктивность катушки связи с антенной

Для снижения паразитной емкости между  и  коэффициент связи между ними, обеспечивая согласование, должен быть наименьшим. Найдем минимальный коэффициент связи при котором обеспечивается согласование.

 (3.6)

Подставив данные в (3.6) найдем коэффициент связи:

Найдем коэффициент передачи входной цепи:

 (3.7)

где  - коэффициент передачи фидера определяемый из графика (рис. 4.) по произведению ( - затухание в фидере;  - длина фидера); - коэффициент передачи собственно входной цепи при согласовании равный

 (3.8)

Рис. 4. Зависимость  от произведения

Из графика находим =0,88

Подставив значения в (3.8) получим

Подставив полученное значение в (3.7) найдем коэффициент передачи входной цепи:

Обобщенная расстройка зеркального канала при нижней настройке гетеродина и заданном эквивалентном затухании (было выбрано d_эр=0,04) рассчитывается по формуле:

 (3.9)

Подставив значения в (3.9) получим, что 23,6 раз≈27 дБ

Рис. 5.

Выбрав структурную схему преселектора вида (рис. 6)

Рис. 6.

Найдем из графика (рис. 5.) ослабление по зеркальному каналу Se_зк=56 дБ. Обобщенная расстройка соседнего канала на краях полосы пропускания преселектора определяется по формуле:

Рис. 7.

Используя график (рис. 7.) найдем ослабление для выбранной структурной схемы преселектора: Se_пр= 1,5 дБ

Рассчитать ослабление которое можно допустить в ФСИ по формуле:

Для выбранного преселектора обобщенную растройку для соседнего канала определяем по формуле:

П_пч=1,5 МГц = (растройка, соответствующая соседнему каналу)

По графику (рис. 7.) найдем значение ослабления соседнего канала создаваемого преселектором. 3,0 дБ.

Определить ослабление соседнего канала  требуемое от ФСИ можно по формуле:

где  - полное ослабление соседнего канала, требуемое в приемнике. Для бытовых приемников обычно принимают =30 дБ.

3.3 Расчет УВЧ

По техническому заданию схема УВЧ ОЭ (рис. 8).

Рис. 8. Принципиальная схема УВЧ.

Используя графики (рис. 9.-рис.11.) и справочные таблицы определю параметры транзистора ГТ311Е и его рабочую точку

Параметры транзистора:

Определение рабочей точки транзистора:

 По ТЗ . Тогда: І_б=0,1 мА.U_бэ=0,32 В; U_кэ=3 В; Пусть Е_К=9 В.

Рис. 9. Зависимость проводимости прямой передачи Y_21Э от частоты и тока коллектора.

Рис. 10. Зависимость входной проводимости Y_11Э от частоты и тока коллектора.

Рис. 11. зависимость выходной проводимости Y_22Э от частоты и тока коллектора.

Изменение обратного тока коллектора І_кбо=0,83мкА;(Т₀=293К)

Для транзисторов серии ГТ –

Т₀=293К

Т_тах=+55⁰С=328К

Т_тіп= -25⁰С=248К

Тогда

Тепловое смещение напряжения базы определяется по формуле:

Нестабильность тока коллектора определяется по формуле при =3 мА:

Сопротивлении резистора R3 рассчитывается по формуле:

R3=  (3.10)

Где

Тогда R3=

R4 рассчитывается по формуле:

Сопротивления резисторов рассчитываются по формулам:

Емкости блокирующих конденсаторов С3, С5 рассчитываются по формулам. Подставляя значения, получим:

С6 можно рассчитать по формуле:

,

где ;

пФ; пусть С6=62 пФ

Из условия обеспечения заданной полосы пропускания приемника определяем эквивалентное затухание контура по формуле:

 (3.14)

где  - требуемое эквивалентное затухание каждого из контуров УВЧ, обеспечивающее заданную полосу пропускания; п – число каскадов УВЧ(в ТЗ каскад один).

Подставив значения в (3.14) найдем

Тогда =0,1

Резонансный коэффициент усиления рассчитывается по формуле:

 (3.15)

При =0,005 найдем резонансный коэффициент усиления

Минимальная эквивалентная емкость контура:

Так как в диапазоне метровых и более коротких волн , тогда

Коэффициенты трансформации рассчитываются по формулам:

 (3.18)

Определить собственную емкость контура можно по формуле:

Рассчитать индуктивность катушки контура можно по формуле:

3.3 Расчет УПЧ

Вместо УПЧ с распределенной избирательностью можно использовать УПЧ с фильтром сосредоточенной избирательности (ФСИ). При этом УПЧ содержит каскад с ФСИ, который обеспечивает требуемую избирательность, и ряд апериодических или слабоизбирательных каскадов, создающих необходимое усиление по промежуточной частоте (минимум 1000). Исходя из этого предварительно выберем схему УПЧ трехкаскадную.

Рис. 12. Принципиальная схема трехкаскадного УПЧ

Используем тот же транзистор ГТ311E. При =22 МГц;

П_пч=2,4 МГц =(растройка, соответствующая соседнему каналу)

Ослабление на границе полосы пропускания:

Ослабление соседнего канала требуемое от ФСИ:

Собственное затухание контура d=0,005

В УПЧ иногда не целесообразно применять ФСИ, поэтому надо проверить целесообразность использования ФСИ. Проверить целесообразность применения ФСИ можно по формуле:

 (3.19)

Применение ФСИ целесообразно.

Обобщенное затухание ФСИ можно вычислить по формуле:

 (3.20)

Относительную расстроку по соседнему каналу можно вычислить по формуле:

Необходимое число звеньев вычисляется по формуле:

По графику (рис. 13а) находим значение для .

Тогда  округлим п до ближайшего целого числа, тогда примем п=3.

Для расчета коэффициентов трансформации нужно определить величину . обычно ее выбирают исходя из условия, что . Учитывая неравенство:

 выберем

=4 кОм.

Рассчитаем коэффициенты трансформации по формулам:

 (3.21)

 (3.22)

Рис. 13. а – график для определения ослабления одного звена б – график для расчета величины К_ф

По графику (рис. 13б) определим коэффициент передачи напряжения: К_Ф=0,19

Резонансный коэффициент усиления рассчитывается по формуле:

 (3.23)

Используя известные формулы рассчитаем элементы термостабилизации каскадов УПЧ

Сопротивлении резисторов R7, R11, R15 рассчитывается по формуле (3.10) при :

Тогда R7=

Сопротивление резисторов R8, R12, R16 рассчитывается по формуле:

Сопротивления резисторов R5, R9, R13 рассчитываются по формуле:

Сопротивления резисторов R6, R10, R14 рассчитываются по формуле:

Емкости блокирующих конденсаторов С8, С11, С20 рассчитываются по формуле:

Емкости блокирующих конденсаторов С10, С12, С21 рассчитываются по формуле:

Рассчитаем элементы контуров образующих звенья ФСИ по формулам, где С измерено в ,  в кОм, f в МГц: Конденсаторы С14, С15, С16:

Конденсаторы С17, С18:

Конденсатор С13:

Конденсатор С19:

Индуктивности L7, L8:

Индуктивности L6, L9:

Индуктивность связи L5 рассчитывается по формуле:

 (3.24)

Где — соответствующий коэффициент трансформации; значением коэффициента связи  задаются в пределах 0,7 ... 0,9.

Подставляя значения в (3.24) найдем L5:

Так как каскад УПЧ с фильтром обеспечивает коэффициент усиления равный , то каскад УПЧ без фильтра будет большим, и не будет учитывать затухание в ФСИ. Рассчитать можно по формуле:

.

Тогда коэффициент усиления УПЧ можно рассчитать:

.

Общий коэффициент усиления приемника можно рассчитать как произведение коэффициентов усиления УВЧ и УПЧ.

Вывод: в ходе выполнения курсового проекта были разработаны некоторые блоки радиоприемного устройства, а именно: ВЦ, УВЧ и УПЧ. Преемник работает на частоте 120 МГц, реализована избирательность по соседнему каналу равная избирательности для бытовых радиоприемников. Коэффициенты усиления однокаскадного УВЧ и УПЧ (три каскада) равны 3,9 и 35913 соответственно, тогда.

Список использованной литературы

1. Расчет радиоприемников Н. В. Бобров. М. «Радио и связь». (Массовая радиобиблиотека. Выпуск 1027).

2. Расчет высокочастотных каскадов на транзисторах. Музыка З. Н. и др. М., «Энергия», 1975

3. Проектирование радиоприемных устройств. Под. ред. А. П. Сиверса. Учебное пособие для вузов. М., «Советское радио». 1976

4. Справочник по приемному проектированию приемно-усилительных устройств. М. К. Белкин и др. «Вища школа»