Разработка радиоприемного устройства радиотелефона

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Обзор и анализ научно-технической информации

2. Выбор блок - схемы приемника и расчет его основных параметров

2.1 Выбор промежуточной частоты (ПЧ)

2.2 Определение полосы пропускания

2.3 Расчёт допустимого коэффициента шума приёмника

2.4 Выбор транзисторов и их режима

2.5 Выбор числа поддиапазонов и их границ

2.6 Распределение заданной величины избирательности

2.7 Распределение неравномерности в полосе пропускания

2.8 Определение эквивалентной добротности и числа контуров тракта РЧ

2.9 Выбор типа детектора

2.10 Определение числа и типа усилительных каскадов до детектора

2.11 Эскизный расчет тракта НЧ

2.12 Результаты расчета блок схемы

3. Расчет РПУ

3.1 Расчет входной цепи

3.2 Входной каскад РПУ

3.3 Выбор синтезатора частот

3.4 Приёмный тракт

3.5 Расчет кварцевого фильтра

3.6 Усилитель ЗЧ

3.7 Расчёт катушек индуктивности

3.8 Расчёт коэффициента шума

Заключение

Введение

Радиосистемы различного назначения, от простейших радиотелефонов до компьютерных радиосетей, пользуются всё большим успехом у пользователей во всём мире. После нескольких десятилетий развития теории и техники радиосистем значительно выросли скорость и качество коммуникационных услуг при постоянном снижении их стоимости, что делает услуги беспроводной связи всё более привлекательными для потребителей, а производство соответствующего оборудования и комплектующих - одной из наиболее рентабельных и быстрорастущих отраслей электронной индустрии.

Индустрия беспроводных коммуникаций по её внутренней природе имеет глобальный характер, позволяя людям почти всюду, независимо от места их нахождения на земном шаре, разговаривать и обмениваться данными друг с другом. В связи с этим многократно возрастает роль международных стандартов, разработанных и разрабатываемых отдельными фирмами и специальными интернациональными организациями, и поддерживаемых большинством производителей коммуникационного оборудования, независимо от их национальной принадлежности. На сегодняшний день количество этих стандартов очень велико: NMT, GSM, AMPS, CDMA, DCS, CT, TETRA и др. Каждая из имеющихся технологий характеризуется наборов уникальных, присущих только ей, набором требований и параметров, однако общим для всех является использование сложных преобразований и обработки исходного сигнала с целью приведения его к виду, подходящему для передачи через среду распространения (радиоканал). Повсеместно принято деление стандартов связи на изначально использовавшиеся аналоговые и, более современные, цифровые. Наряду с этим необходимо отметить, что независимо от используемого стандарта практически все выпускаемые устройства связи являются гибридными радиосистемами, построенными с применением аналоговых и цифровых узлов, сопрягаемых между собой с помощью АЦП и ЦАП. Именно они на современном этапе являются наиболее оптимальными по соотношению "стоимость - потребительские качества".

Данный курсовой проект посвящён pазpаботке РПУ радиотелефона. Радиоприемное устройство - устройство предназначенное для улавливания, преобразования и использования электромагнитной энергии, принятой от радиопередающей станции. Обычно радиоприемное устройство включает в себя: антенну и приемник.

Большое разнообразие современных радиоприемников можно разбить на три категории: профессиональные, радиовещательные и специализированные. При проектировании и расчете радиоприемного устройства учитывается целый ряд требований, обуславливающих качество работы. Характер предъявляемых требований определяется в зависимости от назначения приемного устройства. Однако ряд качественных показателей и требований, обусловливающих нормальную работу приемника, могут быть названы основными:

Перекрытие заданного диапазона частот.

Чувствительность.

Избирательность.

Мощность на выходе.

Качество воспроизведения.

радиотелефон приемник частота

1. Обзор и анализ научно-технической информации

Телекоммуникация и, в частности, радиотелефония является одной из самых быстроразвивающихся отраслей радиоэлектроники. Во всем мире находится в эксплуатации около 100 млн. мобильных РТ сотовой и транкинговой связи и большое количество резидентных (домашних и офисных) РТ малого радиуса действия всевозможных моделей и разновидностей. Их число продолжает стремительно расти. В нашей стране наблюдается бум беспроводной телефонной связи, хотя и с заметным отставанием по сравнению с технически развитыми странами.

В России и других странах СНГ наибольшее распространение получили РТ фирм Panasonic, Sony, Sanyo. Встречаются аппараты фирм General Electric, Samsung, Southwestern Bell Telecom, Hitachi, Funai, Premier, а так же аппараты других производителей - малоизвестных фирм Юго - Восточной Азии - Osawa, Pantera, Panaphone и т.д.

Основные тенденции pазвития МПСУ включают шиpокое использование всевозможных датчиков и интегральных микросхем для данной отрасли электроники.

Для пpеобpазования аналоговых сигналов в цифpовые наиболее часто используют аналого-цифpовые пpеобpазователи (АЦП). В настоящее вpемя пpомышленностью выпускаются достаточно быстpодействующие и достаточно точные АЦП. В основном пpименяютя АЦП последовательного и паpаллельного типа. Основные функции в МПСУ выполняет микpопpоцессоp или микpоконтpоллеp. Особенно pаспpостpанены отечественные микpоконтpоллеpы сеpий 1816, 1820, 1813, 1806, 1839.

Для сопpяжения микpоконтpоллеpов пpименяют pазличные схемные pешения, котоpые зависят от конкpетной pешаемой задачи. Hапpимеp, шиpоко используются цифpо-аналоговые пpеобpазователи (ЦАП), pазличные усилители мощности, тpанзистоpные и тиpистоpные ключи. Реализация последих возможна благодаpя шиpокой элементной базе, выпускаемой отечественной и заpубежной пpомышленностью.

2. Выбор блок - схемы приемника и расчет его основных параметров

При проектировании РПУ РТ необходимо исходить из конкретных требований. Принимаемые решения при построении блок - схем и принципиальных схем необходимо учитывать современный уровень радиоприемной техники. Поэтому в основу разработки требований ко всей схеме и ее отдельным узлам целесообразно принять результаты критического анализа качественных показателей и способов построения схем существующих моделей устройств аналогичного назначения.

Все современные радиотелефоны выполняются по супергетеродинной схеме с двойным преобразованием частоты [3],[4]. Преимущества таких приемников :

А) большая избирательность по зеркальному каналу, благодаря применению высокой первой ПЧ;

Б) большая избирательность по соседнему каналу, благодаря применению низкой второй ПЧ;

В) Возможность получения большого устойчивого усиления, за счет его распределения по четырем трактам: радиочастоты (РЧ), первой и второй ПЧ, звуковой частот (ЗЧ).

Недостатками двойного преобразования частоты являются:

А) наличие дополнитльных побочных каналов приема на комбинационных частотах, а также на 2-м зеркальном канале, что приводит к увеличению возможности возникновения интерференционных свистов;

Б) значителное усложнение схемы и конструкции РПУ.

В данном курсовом проекте необходимо расчитать параметры структурной схемы ЧМ радиоприемника со следующими характеристиками:

Реальная чувствительность - 0,15 мкВ при С/Ш=20 дБ;

Избирательность по соседнему каналу - 60 дБ;

Избирательность по зеркальному каналу - 60 дБ;

Избирательность по побочному каналу - 50 дБ;

Выходная мощность - 0,5 Вт;

Полоса пропускания - 25 кГц;

Диапазон частот - 939…940 МГц.

Предположим, что антенна согласована со входом приемника и имеет активное сопротивление 50 Ом. Рассчитаем мощность на входе приемника исходя из требуемой реальной чувствительности.

Требуемая мощность на выходе:

Нам нужно усилить сигнал на 150,5 дБ.

Исходя из высоких требований избирательности и чувствительности выбираем супергетеродинную схему радиоприемника с двойным преобразованием частоты или более преобразованием частоты [3],[4].

2.1 Выбор промежуточной частоты (ПЧ)

Величина ПЧ выбирается из следующих соображений:

1)ПЧ не должна находится в диапазоне частот приемника или близко от границ этого диапазона.

2)ПЧ не должна совпадать с частотой какого - либо передатчика.

3)Для получения хорошей фильтрации ПЧ должно быть выполнено условие:

fпр>=10Fв,

где Fв - верхняя частота модуляции.

4)С увеличением ПЧ:

увеличивается избирательность по зеркальному каналу;

уменьшается избирательность по соседнему каналу;

расширяется полоса пропускания;

уменьшается входное и выходное сопротивление электронных приборов, что приводит к увеличению шунтирования контуров, а так же понижается крутизна характеристики транзисторов;

ухудшается устойчивость УПЧ;

уменьшается коэффициент усиления на каскад за счет уменьшения резонансного сопротивления контура и ухудшения параметров электронных приборов;

уменьшается вредное влияние шумов гетеродина на чувствительность приемника;

облегчается разделение трактов ПЧ и НЧ, что позволяет упростить фильтр на выходе детектора;

увеличивается надежность работы устройства АПЧ;

уменьшаются размеры контуров и блокировочных элементов.

5) С уменьшением ПЧ:

увеличивается избирательность по соседнему каналу;

уменьшается избирательность по зеркальному каналу;

сужается полоса пропускания ;

увеличиваются входное и выходное сопротивления электронных приборов, что приводит к уменьшению шунтирования контуров, а также увеличивается крутизна характеристики транзисторов;

улучшается устойчивость УПЧ;

увеличивается коэффициент усиления на каскад;

понижается коэффициент шума.

Частоты, рекомендуемые в качестве промежуточных для РТ с преобразованием частоты, для наших данных проекта: fпр1=70 МГц, fпр2=10,7 МГц fпр3=465 кГц [3].

2.2 Определение ширины полосы пропускания

Ширина полосы пропускания (ПП) ВЧ тракта супергетеродинного приемника определяется необходимой шириной полосы частот излучения передатчика корреспондента, а также нестабильностью частоты передатчика корреспондента и гетеродина приемника.

Необходимая ширина полосы частот излучения передатчика 2fп зависит от вида передачи и модуляции и определяется следующим образом:

в основном в РТ применяется частотная модуляция (ЧМ) радиосигнала [3],[4].

При ЧМ [1]:

2fп=2Fв(1+),

где Fв - верхняя (максимальная) частота модуляции;

fm - максимальная девиация частоты;

- индекс модуляции.

Частоты модуляции сигнала при телефонной передаче: Fв=3400Гц; Fн=300Гц.

Девиация частоты fm=5 кГц.

Индекс модуляции



2fп=2Fв(1+) = .

2.3 Расчёт допустимого коэффициента шума приёмника

Если реальная чувствительность задана в виде величины ЭДС сигнала в антенне, при которой отношение значений напряжений сигнал/шум на выходе приёмника больше минимально допустимого отношения или равно ему, то следует вычислить допустимый коэффициент шума :

где - отношение напряжений сигнал/шум на выходе приёмника;

- постоянная Больцмана;

- стандартная температура приёмника;

- сопротивление приёмной антенны.

- шумовая полоса линейного тракта;

Отсюда находим допустимый коэффициент шума:

(- 40дБ)

Т.е. при заданном значении чувствительности 0,15 мкВ и с/ш = 20дБ нельзя получить приемлемое значение коэффициента шума.

Тогда примем (принятое значение С/Ш для телефонии) и допустимый коэффициент шума исходя из используемой элементной базой (ИМС MRFIC 2001, которая будет использоваться в качестве входного каскада РПУ) дБ, при этом, предельное значение чувствительности примет значение 0,6 мкВ.

2.4 Выбор транзисторов и их режима

Основными критериями, по которым производится ориентировочный выбор транзисторов, являются :

превышение предельной частоты усиления (генерации) в несколько раз по сравнению с максимальной рабочей частотой;

наличие параметров, обеспечивающих выполнение заданных технических требований;

минимальная стоимость при наличии необходимых параметров.

Так как у нашего приемника максимальная частота равна 940 МГц, то предполагаем использовать в УРЧ транзистор 2Т3132А-2, у которого граничная частота равна 7ГГц, а коэффициент шума равен 2дб. Преобразователь частоты предполагаем реализовать на туннельном диоде типа АИ101Б и транзисторах П411, ГТ310Б. Транзистор, туннельный диод и емкостной диод (варактор) при определённых условиях способны усиливать радиосигналы, поэтому на них можно построить активные преобразователи, в которых одновременно с преобразованием реализуется усиление.

2.5 Выбор числа поддиапазонов и их границ

Если при неизменной индуктивности контура не может быть обеспечено перекрытие всего диапазона приемника переменным конденсатором, а также для удобства и большей точности установки частоты и настройки приемника на каналы диапазона, диапазон приемника делится на отдельные поддиапазоны.

Диапазон требуется разбить на поддиапазоны, если коэффициент перекрытия диапазона

(1.5 -2.0),

значения приведены для КВ и УКВ диапазонов [5]. fmax=940МГц и fmin=939МГц соответственно максимальная и минимальная частоты диапазона.

Т.к. < (1,5 - 2,0), то диапазон не требует разбития на поддиапазоны.

2.6 Распределение заданной величины избирательности

В супергетеродинных приемниках с тройным преобразованием ПЧ производится следующее распределение заданных величин избирательности:

избирательность по первому зеркальному каналу (ЗК) обеспечивается трактом РЧ;

избирательность по второму ЗК обеспечивается трактом первой ПЧ;

избирательность по третьему ЗК обеспечивается трактом второй ПЧ;

избирательность по соседнему каналу обеспечивается трактом третьей ПЧ.

Кроме обеспечения избирательности по зеркальному каналу, радиочастотный тракт приемника должен обеспечивать :

избирательность на ПЧ, т.е. ослабление помех станций, частоты которых совпадают с ПЧ;

ослабление помех станций, способных вызвать появление в преобразователе перекрестной модуляции и интерференционных свистов;

ослабление излучения колебаний гетеродина приемника;

необходимое соотношение Сигнал/Шум (С/Ш) на входе первого электронного прибора приемника.

2.7 Распределение заданной неревномерности усиления в полосе пропускания

Для обеспечения необходимого минимума частотных искажений в области верхних звуковых частот каждому РПУ в технических условиях (ТУ) задается наименьшее ослабление на краях полосы пропускания . Т.к. ГОСТ для РТ на данный момент времени отсутствует, то используем данные для радиовещательных приемников. Для радиовещательных приемников ослабление задано в ГОСТ 5651-65.

При разработке РПУ заданная величина ослабления распределяется по отдельным трактам приемника. Практикой установлено, что наиболее приемлимым является распределение ослабления на краях полосы пропускания приемника по отдельным трактам, приведенное в [5].

Ослабление на краях полосы не более, дб:

всего тракта 14;

тракта РЧ 0 - 2;

тракта первой ПЧ 1 - 2;

тракта второй ПЧ 6;

предварительный УНЧ 1 - 2;

оконечный УНЧ 2,5.

При приеме ЧМ сигналов рекомендуется принимать ослабление на краях ПП ВЧ тракта равным 6 дб, т.е. на уровне 0,5. На высоких принимаемых частотах, когда радиочастотный тракт имеет широкую ПП, ослабление на краях его полосы можно принять равным 0 дб.

2.8 Определение эквивалентной добротности и числа контуров тракта РЧ

Определение эквивалентной добротности и числа контуров тракта РЧ производим по заданной избирательности по ЗК на максимальной частоте диапазона и по ослаблению на краях полосы пропускания приемника на минимальной частоте диапазона (наихудший случай).

Задаемся ориентировочным числом одиночных контуров тракта РЧ:

nc=2.

Необходимая добротность контуров, обеспечивающая заданную избирательность по зеркальному каналу [5]:

,

Где fmax = 940 МГц - максимальная частота диапазона;

fЗmax = fmax - 2fпр = 940 - 140 = 800 МГц (знак минус - частота гетеродина ниже частоты сигнала);

fпр= 70 МГц - промежуточная частота ;

=60дб = 1000 (раз) - избирательность по зеркальному каналу (из задания).

3) Возможная эквивалентная конструктивная добротность контура с учетом шунтирующего действия входного (или выходного) сопротивления применяемого электронного прибора:

= ,

где = 0.8 - коэффициент шунтирования электронным прибором (для транзистора) [5];

QK = 150 - конструктивная добротность контура (без сердечника).

Так как QИ<QЭ и QЭ должно быть не больше QЭК, то принимаем число контуров nc=2 и эквивалентную добротность контура QЭmax=106 (на максимальной частоте диапазона).

Определим ослабление на краях ПП при значении добротности из формулы (1).

(1),

где

fmin=939 МГц - минимальная частота диапазона;

П = 25 кГц - ширина полосы пропускания;

Тогда ослабление на краях полосы пропускания:

=1.0003 = 0,0026дБ при и .

Принимая, что согласование транзистора с контуром будет происходить на максимальной частоте диапазона, определяется эквивалентная добротность контура на нижней частоте диапазона по формулам:

; ;

; ,

где - конструктивное затухание контура;

Эmax - эквивалентное затухание контура на верхней частоте диапазона;

Эmin - эквивалентное затухание контура на нижней частоте диапазона;

RВХmin, RВхmax - входное (выходное) сопротивление электронного прибора соответственно на максимальной и минимальной частотах диапазона (в нашем случае они равны). Выберем такие транзисторы, чтобы на всем диапазоне частот они сохраняли значения своих параметров неизменными.

В результате расчета получаем: nc=2; Qзmax=106; Qзmin= 111;

Для крайних точек диапазона fmin и fmax определяем:

а) вспомогательные коэффициенты:

; ;

.

Где fC = 25 кГц - расстройка при которой задана избирательность по соседнему каналу.

б) зеркальные частоты:

fЗmax = fmax - 2fпр = 940 - 140 = 800 МГц

fЗmin = fmin - 2fпр = 939 - 140 = 799 МГц

в) избирательность по соседнему каналу:

на частоте fmax=940 МГц

(0,0003дБ);

на частоте fmin=939 МГц

1.00004 (0.0003 дБ);

в) ослабление на краях полосы:

- на частоте fmax=940 МГц

1.00001 (0.00009 дБ);

- на частоте fmin=939 МГц

1.00001 (0.00009 дБ);

Пmax < Пmin < П значит исходные данные выполнены.

г) избирательность по зеркальному каналу:



Так как , то исходные данные выполнены.

д) избирательность на промежуточной частоте (причем fб=fmin ; Qб=QЭmin):

Т.к. (согласно исходным данным).

2.9 Выбор типа детектора

При выборе типа детектора учитываем род работы, вид модуляции, преимущества и недостатки различных схем, виды детекторов используемых в различных РТ, а также необходимое минимальное напряжение на его входе для работы с минимальными искажениями.

В трактах РПУ, полностью построенных на транзисторах, применялись ЧД, давно известные в телевидении: фазовый дискриминатор и детектор отношений (он же дробный детектор). Качественные показатели этих детекторов достаточно хорошие, но конструктивная сложность - необходимость в специальных контурах с несколькими катушками и кропотливая настройка - делает их применение нецелесообразным. Впоследнее время после разработки специализированных микросхем для узкополосных ЧМ приемников во всех радиотелефонах применяется частотно фазовый - детектор с опорным (фазосдвигающим) контуром или квадратурный детектор [3,4].

2.10 Определение числа и типа усилительных каскадов до детектора

Зададимся реальным коэффициентом передачи входной цепи КВЦ = 0,5.

Максимальный устойчивый коэффициент усиления

а) Каскада УРЧ на транзисторе 2Т3132А-2:

;

где рабочая частота;

S - крутизна характеристики транзистора на рабочей частоте при выбранном режиме (мА/В).

СК - емкость коллектор - база (пф).

б) Каскада УПЧ первого преобразователя частоты на транзисторе П411:

в) Каскада УПЧ второго преобразователя частоты на транзисторе П411:

г) Каскада УПЧ третьего преобразователя частоты на транзисторе ГТ310Б:

д) Каскада первого преобразователя частоты на транзисторе П411:

е) Каскада второго преобразователя частоты на транзисторе П411:

ж) Каскада третьего преобразователя частоты на транзисторе ГТ310Б:

Предварительно принимаем:

Число каскадов УРЧ - NУРЧ = 1

Число каскадов УПЧ1 - NУПЧ1 = 2

Число каскадов УПЧ2 - NУПЧ2 = 1

Число каскадов УПЧ3 - NУПЧ3 = 1

Определяем общее усиление до детектора:

КОБЩ = КВЦ КNурчУРЧ Кпр1 КNупч1УПЧ1 Кпр2 КNупч2УПЧ2 Кпр3 КNупч3УПЧ3 =

2.11 Эскизный расчет тракта низкой частоты

Низкочастотный тракт радиоприемников обычно состоит из одного или нескольких каскадов усилителя низкой частоты (УНЧ). Число каскадов УНЧ определяется усилением, которое должен обеспечить этот тракт.

Усилители мощности в большинстве своем выполняются по трансформаторной схеме, однако применение трансформатора в выходной цепи усилительного элемента приводит к увеличению линейных и нелинейных искажений, также в трансформаторе теряется часть мощности сигнала, что уменьшает КПД каскада, кроме того трансформаторы громоздки. Поэтому широко распространены бестрансформаторные транзисторные каскады, особенно в связи с реализацией таких каскадов по интегральной технологии.

Таким образом, для уменьшения габаритных размеров, а также для упрощения схемы усилитель низкой частоты можно выполнить на интегральной микросхеме.

2.12 Результаты расчета блок - схемы

На основании проведенного предварительного расчета приемника составляется его блок - схема с указанием числа каскадов и особенностей каждого тракта. Результаты расчета сведены в таблицу:

Блок - схема приемника, полученного в результате предварительного расчета, приведена на рисунке 1.



Рисунок 1 Блок-схема приёмника супергетеродинного приемника с тройным преобразованием частоты

3. Расчет РПУ

3.1 Расчет входных цепей

Расчетные данные для входных цепей получены в результате расчета блок - схемы приемника.

Входной цепью называют часть схемы приемника, связывающую антенно - фидерную систему со входом первого каскада.

Она предназначена для передачи напряжения сигнала от антенны к первому каскаду и для ослабления внешних помех. В соответствии с этим ко входной цепи приемника предъявляются следующие требования:

Входная цепь должна передать возможно большее напряжение на вход первого каскада.

Входная цепь должна обеспечить ослабление всех мешающих сигналов, в том числе помехи, проходящей по зеркальному каналу, помехи на частоте, равной промежуточной, и на частоте соседнего канала. Для уменьшения перекрестных искажений входная цепь должна обеспечить ослабление мешающих сигналов большой амплитуды.

Входная цепь должна настраиваться на частоту принимаемого сигнала. Если предусмотрена работа приемника в диапазоне частот, то входная цепь должна обеспечить перекрытие этого диапазона. При этом изменение качественных показателей не должно превышать заданной нормы.

Изменение параметров антенны и входных параметров первого каскада не должно вызывать превышающих норму изменений качественных показателей. Это накладывает требования на выбор способа связи с антенной и входом первого каскада и на ее величину.

Входная цепь должна пропускать спектр частот принимаемого радиосигнала с неравномерностью не больше заданной нормы.

На дециметровых волнах используют полосковые резонансные линии. В большинстве схем приемников встречаются параллельные резонансные контуры. Поэтому основными типами контуров являются четвертьволновые резонансные линии. Входное сопротивление таких линии при настройке в резонанс является чисто активным. Выбираем одноконтурную входную цепь на короткозамкнутом четвертьволновом отрезке

Исходными данными к расчету входной цепи являются:

диапазон принимаемых частот fminfmax= (939940) МГц;

сопротивление антенно-фидерной системы RА=50 Ом,

входные параметры первого каскада приемника gвх=20 мСм, Свх=7,5пФ

Расчет проведем для средней резонансной частоты диапазона, а затем проверим основные показатели на крайних частотах.

Пусть полосковая линия сделана из меди, поверхностное сопротивление которой . В качестве диэлектрика использован материал стеклотекстолит СКМ-1 с относительной диэлектрической проницаемостью =4,2

Задаемся следующими размерами полосковой линии:=4мм, h=2мм,

t= 20мкм (ширина, толщина токонесущей полоски и расстояние между токонесущей и заземленной полосками);

Рассчитаем волновое сопротивление линии:

50,6Ом

Из условия настройки резонатора на частоту f0 определим длину линии:

где условие настройки в резонанс с частотой [14].

По графикам находим нормированное затухание () полосковой линии в зависимости от ее геометрических размеров =0,0077Нп/м [14]. Сопротивление активных потерь линии, отнесенное ко входу резонатора

Резонансная проводимость несимметричного полоскового резонатора:

где 33 Ом, характеристическое сопротивление контура

Затухание резонатора обусловленное потерями в отрезке линии:

Полоса пропускания контура на уровне 3дб равна:

Условие настройки контура в резонанс рассчитано при емкости Со=5пФ. Так как контур входной цепи настраивается на диапазон частот и полоса пропускания контура П=375,8 кГц, то он должен автоматически перестраиваться на резонансную частоту в пределах диапазона, что достигается введением вместо Ск двух последовательно соединенных варикапов типа КВ109В (общая емкость каждого изменяется от 4пФ до 16пФ в зависимости от обратного напряжения).

Расширение полосы пропускания до нужной может быть достигнуто путём увеличения эквивалентного затухания контура.

Эквивалентное затухание контура входной цепи (при полосе пропускания входной цепи при согласовании ):

dэ=П / f0 = 12,5 / 939,5 = 0,01

Эквивалентная проводимость контура входной цепи:

Gэ = dэ / = 0,01 / 33 = 4См

Заданная полоса пропускания в режиме согласования достигается при коэффициенте трансформации:

Для согласования нагрузки с антенной необходимо:

Коэффициент передачи входной цепи при согласовании:

Избирательность по зеркальному каналу:

(29дб)

(30дб)

Конструктивная реализация коэффициентов связи и осуществляется подбором размеров петель связи и и их расположением в экранируемой камере контура входной цепи [14].

Другими словами, конструктивная реализация коэффициентов связи осуществляется подключением проводников в точки отстоящие от заземлённого конца линии на некотором расстоянии, которое можно рассчитать исходя из следующей формулы:

, [14].

Таким образом,

lА = 2 мм и lвх = 2 мм.

При рассмотрении шумовых свойств входной цепи её обычно анализируют совместно с последующим усилительным или преобразовательным каскадом.

Коэффициент шума входной цепи:

,

где - коэффициент передачи входной цепи по мощности.

Тогда

3.2 Входной каскад РПУ

В качестве входного каскада радиотелефона используем ИМС MRFIC2001 (производство фирмы MOTOROLA). ИМС выполнена на основе кремния, с частотным диапазоном 0,5...1 ГГц.

ИМС содержит МШУ и смеситель. МШУ и смеситель имеют отдельные входы и выходы, так что между ними можно включать частотно-избирательные цепи.

Коэффициент шума МШУ в составе ИМС не превышает 5 дБ. Эта величина так же согласуется с уровнями чувствительности УПЧ. Этими факторами обеспечивается возможность путём применения двух-трёх микросхем без труда получить высокотехнологичное и дешёвое радиоприёмное устройство профессионального качества. Можно также отметить сравнительно низкий требуемый уровень сигнала гетеродина, подаваемого на смеситель - это позволяет использовать генераторы, работающие на низком уровне выходной мощности, что, кроме уменьшения уровня фазовых шумов, положительно сказывается на потребляемом токе устройства в целом. ИС сохраняет работоспособность в расширенном диапазоне рабочих температур от -35 до +85 С.

Основные параметры ИМС приведены в таблице 1.

Таблица 1 Электрические параметры микросхемы MRFIC2001

Функции	Малошумящий усилитель (МШУ), смеситель (СМ)
Диапазон входных частот, ГГц	0,5. . . 1
Полоса частот по выходу, МГц	0. . . 250
Усиление, дБ	23
Шум - фактор, дБ	5,5
Мощность насыщения, дБ	-10
Рабочая температура, С	-35. . . +85
Напряжение питания, В	2,7. . . 5
Ток потребления, мА	5,5
Тип корпуса	SO-8

Структурная схема ИМС MRFIC2001 представлена на рис. 3.



Рисунок 3 Структурная схема ИМС MRFIC2001

Назначение выводов:

1 - вход малошумящего усилителя ВЧ;

2 - питание (-Uп);

3 - питание (-Uп);

4 - вход гетеродина;

5 - выход ПЧ;

6 - питание (-Uп);

7 - питание (+Uп);

8 - опорное напряжение.

На рис. 4 показана типовая схема включения ИМС MRFIC2001

Нагрузкой данного преобразователя частоты является фильтр основной селекции, в качестве которого будем использовать кварцевый фильтр, который рассчитан в п.3.5. Сигнал с выхода ФОС поступает далее на микросхему МС3362Р.

3.3 Выбор синтезатора частот

В РПУ широко используются различные методы синтеза дискретного множества (сетки) гетеродинных частот из одной эталонной частоты. В синтезаторах частот (СЧ) не только формируются указанные частоты, но и выделяются колебания любой из них без ухудшения стабильности. К показателям, характеризующим работу СЧ, относят такие показатели, как диапазон частот fг, шаг сетки частот Fш, число дискретных частот n и относительную нестабильность частоты, которая имеет очень малое значение и это является основным достоинством. Но любой вариант построения СЧ не позволяет получить непрерывное перекрытие диапазона частот fг, а лишь интерполирует его дискретным множеством (n) точек с шагом Fш. Это свойство наряду со сложностью схемотехнических решений является основным недостатком метода синтеза гетеродинных частот.

Шаг установки частоты, указанный в техническом задании, равен 25 кГц, а нестабильность частоты гетеродина 0.0001%.

В качестве синтезатора частот возьмём МС145220 (производство фирмы MOTOROLA) с максимальной частотой генерации 1,1 ГГц. Основные параметры МС приведены в таблице 2.

Таблица 2 Основные параметры MC145220

Возможные значения коэффициентов деления делителя	R	1; 5 - 8191
	N	5 - 4095
	P/p+1	64 / 65
Максимальная частота, ГГц	1,1
Минимальная частота, МГц	27
Напряжение питания, В	2,7 - 5
Потребляемый ток, мА	6

3.4 Приёмный тракт

Исходя из высоких требований, предъявляемых к разработке и современного уровня развития технологий ИСМ, в радиоприемном тракте будем применять интегральную МС - МС3362Р как наиболее подходящую нам по параметрам рассчитанным в пункте “Рассчет блок - схемы приемника”.

ИМС представляет одну из ранних, но достаточно удачных, разработок ЧМ приёмника с двойным преобразованием частоты фирмы MOTOROLA. В составе ИМС имеются два смесителя с гетеродинами, усилитель - ограничитель второй промежуточной частоты, квадратурный частотный детектор, измеритель уровня несущей и компаратор. Первый гетеродин может работать и как LC генератор, и как кварцевый генератор. Граничная частота гетеродина составляет 190 МГц. Для управления частотой генератора в ИМС имеется варикап, управляющий сигнал на который может подаваться от системы

ФАПЧ. Второй гетеродин выполнен по схеме Колпитца с заземлённым коллектором, и, как правило, работает с кварцевым резонатором. Колебания как первого, так и второго гетеродинов через буферные каскады выводятся из ИМС. Верхняя граничная частота первого смесителя составляет 450 МГц, однако на частотах выше 200 МГц следует использовать внешний первый гетеродин. Как первый, так и второй смесители выполнены по двойной балансной схеме и имеют усиление 18 и 22 дБ соответственно. Расположение выводов и импедансы смесителей оптимизированы для применения дешёвых пьезокерамических фильтров. Рекомендуется после первого смесителя применять пьезокерамический фильтр с центральной частотой 10,7 МГц, а после второго смесителя пьезокерамический фильтр на 455 кГц. УПЧ-ограничитель имеет 6 каскадов и полосу пропускания 1 МГц. Его выход внутри ИМС соединён с квадратурным детектором. Имеется вход для подключения квадратурного контура. Измеритель уровня входного сигнала работает в диапазоне 65 дБ. Он может использоваться непосредственно, либо в пороговом режиме для заранее выбранной входной мощности. При пороговом режиме возможно введение гистерезиса для устранения "дребезга". Основные электрические параметры ИМС приведены в таблице3.

Таблица 3 Электрические параметры ИМС МС3362

Максимальная частота входного сигнала, МГц	200
Количество преобразований частоты	2
Первая промежуточная частота, МГц	10,7
Вторая промежуточная частота, кГц	455
Чувствительность, мкВ по - 3 дБ от уровня ограничения	0,7
Чувствительность, мкВ при (С+Ш) / Ш, дБ	0,6 / 12
Полоса частот демодулятора, кГц	10
Максимальный уровень входного сигнала по искажениям 3-го порядка ДБм (В)	-22
Уровень выходного НЧ сигнала, мВ, эфф.	350
ДД измерения уровня несущей, дБ	> 65
Напряжение питания, В	2. . . 6
Потребляемый ток, мА	7
Диапазон рабочих температур	- 40 . . . + 85
Входная емкость 1 смесителя, пФ	7,2
Входное сопротивление 1 смесителя, Ом	690
Выходное сопротивление детектора, кОм	1,4
Выходное напряжение, мВ	350
Тип корпуса для поверхностного монтажа	SO - 24L

Назначение выводов ИС MC3362 приведено в таблице 4.

Таблица 4 Назначение выводов ИС MC3362

#	Символ	Назначение	#	Символ	Назначение
1	MIX 1 IN	Вход смесителя 1	13	DET OUT	Выход детектора
2	OSC 1 OUT	Выход генератора	14	COMP IN	Вход компаратора
3	C OSC 1	Конденсатор генератора	15	COMP OUT	Выход компаратора
4	QR OSC1	Кварцевый резонатор генератора	16	GND	Общий
5	MIX 2 OUT	Выход смесителя 2	17	MIX 2 IN	Вход смесителя 2
6	VCC	Напряжение питания 5 В	18	MIX 2 IN	Вход смесителя 2
7	LIM IN	Вход ограничителя	19	MIX 1 OUT	Выход смесителя 2
8	C DEC	Развязывающий конденсатор	20	OSC 2 OUT	Выход генератора 2
9	C DEC	Развязывающий конденсатор	21	REF OSC 2	Опорный контур генератора 2
10	REG DRIV	Режим драйвера	22	REF OSC 2	Опорный контур генератора 2
11	DRIV OUT	Выход драйвера	23	VAR CONTR IN	Вход управления варикапом(от фазового ФАПЧ)
12	DET OUT	Вход детектора	24	MIX 1 IN	Вход смесителя

Конструктивно схема оформлена в пластмассовый 24-выводной DIP-корпус 2142.24 - 2 с растром 2.

3.5 Расчет кварцевого фильтра

Для обеспечения высокой селективности РПУ применяют фильтры сосредоточенной селекции. Они обладают высокой добротностью. Их амплитудно-частотная характеристика близка к прямоугольной.

Первая промежуточная частота преобразования составляет 70 МГц, поэтому необходимо рассчитать узкополосный кварцевый фильтр на эту частоту. В связной коротковолновой аппаратуре широко используются лестничные фильтры на кварцевых резонаторах.

Для расчета фильтра воспользуемся методикой изложенной в [13].

Расчет начинается с определения необходимого числа кварцевых резонаторов, при котором будет обеспечен заданный коэффициент прямоугольности:

4,

где А0 = 40 дб - уровень затухания для заданного коэффициента прямоугольности;

А = 0.2803 дб - допустимое значение неравномерности АЧХ в полосе пропускания;

КП = ВА / В = 3 - коэффициент прямоугольности;

ВА = 750 кГц - ширина полосы пропускания по уровню А0 (по уровню - 60 дБ);

В = 250 кГц - ширина полосы пропускания (по уровню -3 дб);

Расчет фильтра удобно проводить на основе фильтров прототипов нижних частот. Фильтры нижних частот хорошо изучены, нормированные значения их элементов рассчитаны и приведены в виде таблиц в справочниках по расчету фильтров. При расчете фильтров обычно используют фильтры - прототипы типа Батерворта, либо Чебышева, либо Кауэра с соответствующими характеристиками затухания. Наилучшими избирательными свойствами обладают фильтры Чебышева. Значения коэффициентов для фильтров нижних частот Чебышева при разных значениях неравномерности АЧХ в полосе пропускания для равных нагрузочных сопротивлений по входу и выходу приведены ниже [13]:

После соответствующих преобразований ФНЧ в ПФ, а затем ПФ в кварцевый получается схема, приведенная на рис.7: Предъявляемые требования к кварцевым резонаторам: Индуктивность fрез.кв=70 МГц, = 1 мГн. Сопротивление нагрузки фильтра по входу и выходу определяем по формуле:

1,4 кОм

Емкости конденсаторов связи определяем по формулам:

= 2 пФ

1,8 пФ.

В качестве ФСС для второй промежуточной частоты возьмем стандартный фильтр ПФ1П-049Б с F0=10,7МГц1%, полосой пропускания по уровню 3дб - 150кГц, затухание в полосе пропускания менее 8 дб, затухание вне полосы пропускания более 40дб, входное сопротивление 0,3 кОм

ФСС на третью ПЧ берем muRATA CFU45525 с F0=455кГц1% полосой пропускания по уровню 3дб - 25кГц, затухание в полосе пропускания менее 6 дб, затухание вне полосы пропускания более 60дб, входное сопротивление 1,5 кОм.

Сопротивления фильтров на ПЧ 10,7 Мгц и 455 кГц согласованы со входом используемой микросхемы МС3362Р, т.к. сопротивления фильтров подобраны на основе фильтров используемых в типовой схеме включения ИМС МС3362Р. Для обеспечения согласования фильтра рассчитанного на ПЧ 70 МГц со входом ИМС используем широкополосный контур, который настроен на промежуточную частоту fпр=70 МГц. Этот контур практически не должен влиять на характеристику избирательности фильтра, поэтому его полосу пропускания необходимо делать в 4-5 раз шире полосы пропускания фильтра, т.е. .

Выбираем эквивалентная ёмкость согласующего контура .

Тогда рассчитаем индуктивность контурной катушки

Определяем характеристическое и эквивалентное сопротивления контура:



Вычислим коэффициент включения микросхемы МС3362Р в контур:

где - входное сопротивление микросхемы МС3362Р.

Тогда коэффициент включения кварцевого фильтра в контур:

где Rф - выходное сопротивление кварцевого фильтра.

3.6 Усилитель ЗЧ

В качестве УЗЧ возьмем ИМС МС34119 (производство фирмы MOTOROLA).

МС представляет собой усилитель мощности звуковой частоты с выходной мощностью 0,5Вт на нагрузке 8 Ом. Корпус типа SO - 8.

Электрические параметры:

Напряжение питания 2 - 16 В;

Потребляемый ток 2,7 мА;

Коэффициент усиления напряжения НЧ 46 дБ;

Диапазон электронной регулировки усиления НЧ 65 дБ;

Выходной ток 200 мА;

Диапазон рабочих температур - 20…+ 70.

3.7 Расчёт катушек индуктивности

Рассчитаем катушку индуктивности, которая используются в схеме приёмника в контуре связи:

L=0,034 мкГн

Выбираем следующие параметры:

диаметр провода без изоляции d = 0.8 мм;

коэффициент неплотности намотки = 1.1;

диаметр провода в изоляции d0 = 0.89 мм;

диаметр каркаса D = 6 мм = 0.6 см;

Определим число витков на сантиметр:

;

Вычисляем вспомогательный параметр:

;

По графику [5] находим b/D = 0.56, отсюда получаем значение b = 0.34 см;

Число витков намотки N = N0b = 4;

Длина каркаса l = b + 0.5D=0.34 + 0.3 = 0.64см =6.4 мм.

Определим положение точки подключения ИМС МС3362Р к катушке контура: , т.е. будем присоединять к 5 витку катушки;

Положение точки подключения кварцевого фильтра к катушке контура:

.

3.8 Расчёт коэффициента шума

Для обеспечения заданных параметров радиоприемного устройства произведем оценку параметров основных элементов и узлов. Для обеспечения чувствительности 0,6мкВ при отношении с/ш = 10дБ на выходе, общий Кш РПУ запишем в следующем виде:

Из анализа формулы видим, что коэффициент шума РПУ в основном зависит от шумов УРЧ

Коэффициент шума РПУ стремятся свести к минимуму.

Коэффициент шума входной цепи:

,

где - коэффициент передачи входной цепи по мощности.

Тогда

Коэффициент шума УРЧ и смесителя, реализованных на ИМС MRFIC равен 5,5дб. Исходя из всего этого общий коэффициент шума получаем F = 5,7дб. Таким образом коэффициент шума усилителя меньше, чем необходимо для обеспечения заданной чувствительности.

Заключение

В результате проделанной работы было спроектировано РПУ РТ. В качестве элементной базы были использованы ИМС фирмы MOTOROLA.

Входная цепь реализована на короткозамкнутом четвертьволновом отрезке линии;

В качестве входного высокочастотного каскада была использована ИМС MRFIC2001;

В качестве следующих каскадов РПУ была применена ИМС МС3362, которая отвечает требованиям современной элементной базы предъявляемым к радиотелефонам. Малое потребляемое напряжение и потребляемый ток дают возможность 3-х часовой непрерывной работы без перезаряда аккумуляторов. Высокая чувствительность. Избирательность по соседнему, 1-му и 2-му зеркальным и промежуточному каналам соответствует и даже в некоторых случаях превышает заданные параметры;

Синтезатор частоты реализован на ИМС МС 145220;

Фильтр основной селекции, выполненный на кварцевых резонаторах по лестничной схеме, а так же использованы стандартные пьезокерамические и кварцевые фильтры ПФ1П-049Б, muRATA CFU45525;

Микросхема МС34119, выполняющая функции усилителя ЗЧ.

Структурная схема приемника приведена в приложении 1.

Размещено на Allbest.ru

...