Разработка связного ЧМ-приёмника

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Радиоприемным устройством называют систему узлов и блоков, с помощью которых производятся такие операции, как преобразование электромагнитного поля сигнала в электрический сигнал; выделение полезных радиосигналов из совокупности других (мешающих) сигналов и помех, действующих на выходе приемной антенны и не совпадающих по частоте с полезным сигналом; усиление принимаемых сигналов; демодуляция принятого сигнала с целью выделения информации, содержащейся в полезном радиосигнале; обработка принимаемых сигналов с целью ослабления мешающего воздействия помех искусственного и естественного происхождения. РПУ являются важнейшими составными частями всех радиосистем.

В зависимости от положенных в основу признаков выделяют ряд различных классификаций РПУ.

По основному функциональному назначению РПУ делят на профессиональные и вещательные. К профессиональным приемникам относятся связные, телевизионные, телеметрические и др., а вещательные обесспечивают прием программ звукового и телевизионного вещания.

В зависимости от вида используемой модуляции бывают приемники амплитудно-модулированных (АМ), частотно-модулированных (ЧМ), фазо-модулированных (ФМ) сигналов, сигналов с одной боковой полосой (ОБП) и др. Также РПУ работают в различных диапазонах волн. В настоящее время осуществляется освоение наиболее высокочастотных диапазонов волн, включая миллиметровый, дециметровый и оптический.

Основные показатели, которые определяют качество работы приемника - это чувствительность, избирательность по соседнему каналу, избирательность по зеркальному каналу, диапазон рабочих частот, надежность, стабильность и устойчивость работы, массогабаритные показатели, экономичность питания, а также стоимость и др. показатели.

В курсовом проекте необходимо разработать связной ЧМ-приёмник с заданными параметрами.

радиоприемный приемник антенна

1. Составление структурной схемы линейного тракта приёмника

1.1 Состав структурной схемы приёмника

Рис. 1 Структурная схема ЧМ-приемника

Структурная схема ЧМ-приемника, изображенная на рис.1, состоит из следующих блоков:

ВЦ - входная цепь;

УРЧ - усилитель радиочастоты;

СМ - смеситель;

Г - гетеродин;

ФСС - фильтр сосредоточенной селекции;

УПЧ - усилитель промежуточной частоты;

ЧД - частотный детектор;

СД1 - стереодекодер с пилот-тоном;

СД2 - стереодекодер с полярной модуляцией;

УНЧ - усилитель низкой частоты;

Приёмник выполнен по супергетеродинной схеме, что позволяет обеспечить выполнение достаточно высоких требований к избирательности по зеркальному, а также соседнему каналах, заданных в техническом задании.

Во входной цепи сигнал снимается с телескопической антенны, согласно техническому заданию. ВЦ должна передавать возможно большее напряжение на вход первого каскада и обеспечивать ослабление всех мешающих сигналов, в том числе помехи, проходящей по зеркальному каналу, помехи на частоте соседнего канала и промежуточной.

На преобразователь частоты (смеситель) подаётся входной сигнал (после преселектора) и сигнал с гетеродина.

Фильтр сосредоточенной селекции промежуточной частоты обеспечивает основную избирательность приемника.

УПЧ предназначен для выделения спектра радиосигнала из помех, близких по частоте, и усиления его до величины, необходимой для работы детектора.

Частотный детектор преобразует спектр модулированного радиосигнала в спектр частот модуляции.

Стереодекодер служит для выделения спектров правого и левого каналов из спектра комплексного стереосигнала.

УНЧ используется для усиления сигнала звуковой частоты до необходимого уровня.

В ходе предварительного расчета будет установлено: потребуется ли нам УРЧ; будут выбраны ИМС, реализующие соответствующие звенья структурной схемы.

Для обеспечения заданной стабильности частоты настройки необходимо, прежде всего, держать стабильной частоту гетеродина, а чтобы из-за температуры не изменялась полоса пропускания входных цепей, необходимо рассчитать входные цепи на прием сигналов с более широкой полосой пропускания, чем необходимо для приема ЧМ-сигналов.

1.2 Определение параметров телескопической антенны

В портативных приемниках диапазона УКВ часто применяется телескопический штырь.

Конструктивно он состоит из нескольких выдвижных коленьев разного диаметра.

Длина волны минимальной частоты диапазона равна:

,

где - скорость света;

МГц - минимальная частота первого диапазона.

м

МГц - минимальная частота второго диапазона.

м

Для коротких телескопических антенн активное и реактивное сопротивление определится как:

,

где = 0,75 м - длина антенны;

- волновое сопротивление, определяемое по формуле:

где м - средний радиус телескопической антенны.

;

;

;

Значения эквивалентных параметров СА и LА вычисляется по формулам:

где - коэффициент перекрытия

л11 = 4 м - длина волны максимальной частоты первого диапазона;

л21= 4,5 м - длина волны минимальной частоты первого диапазона;

л12 = 2,7 м - длина волны максимальной частоты второго диапазона;

л22= 3 м - длина волны минимальной частоты второго диапазона.

;

Где СА1 и LА1 - эквивалентные параметры для диапазона 66 - 74 МГц;

СА2 и LА2 - эквивалентные параметры для диапазона 100 - 108 МГц.

1.3 Расчет полосы пропускания

Ширина полосы пропускания высокочастотного тракта супергетеродинного приемника зависит от вида принимаемого сигнала и определяется шириной спектра этого сигнала, а также нестабильностью частоты несущей передатчика и нестабильностью частоты гетеродина приемника.

При частотной модуляции ширина полосы пропускания зависит от индекса модуляции и определяется следующим образом:

,

где Fв - верхняя (максимальная) частота модуляции;

fm - максимальная девиация частоты;

- индекс модуляции.

Поскольку проектируемый приемник будет работать в нижнем и в верхнем УКВ-диапазоне, то на выходе детектора будет выделяться комплексный стереосигнал с полярной модуляцией и с пилот-тоном. Рассмотрим диапазон 66-74 МГц. Таким образом,

Fв = 31,25000+15000=46,25 кГц

fm = 50 кГц (принята по стандарту)

Тогда получаем:

,

т.к. индекс модуляции соизмерим с единицей, то полоса пропускания определяется следующим образом:

,

Учитывая нестабильность частоты гетеродина и сигнала, определяем ширину полосы пропускания сигнала:

где Дfq - доплеровское смещение (равно нулю),

,

где - нестабильность частоты гетеродина,

fс - нестабильность частоты сигнала.

Таким образом, берем полосу пропускания равной П = 289 кГц.

В диапазоне 100-108 МГц используется КСС системы с пилот-тоном. Спектр такого модулирующего сигнала значительно шире, чем при обычном УКВ вещании. Учитывая, что верхняя передаваемая звуковая частота равна 15 кГц, получаем верхнюю модулирующую частоту для КСС данного типа:

Используемая девиация частоты:

Индекс модуляции и ширина спектра радиосигнала:

Также учитывая нестабильность частоты гетеродина и сигнала, определяем ширину полосы пропускания сигнала:

где Дfq - доплеровское смещение (равно нулю),

,

где - нестабильность частоты гетеродина,

fс - нестабильность частоты сигнала

Берем полосу пропускания равной: .

1.4 Расчёт допустимого коэффициента шума приёмника

Чувствительность приемника задана по полю E = 50 мкВ/м. Таким образом, зная параметры антенны можно рассчитать напряжение на зажимах антенны, соответствующее реальной чувствительности.

Тогда

- напряжение на зажимах антенны для первого диапазона.

- напряжение на зажимах антенны для второго диапазона.

В случае, когда реальная чувствительность задана в виде ЭДС EА сигнала в антенне, при которой отношение значений напряжений сигнал/шум на выходе приёмника больше минимально допустимого отношения вых или равно ему, то следует вычислить допустимый коэффициент шума из условия:

где вых = 50дБ - отношение напряжений сигнал/шум на выходе приёмника;

- коэффициент формы;

Fmax - максимальная частота модуляции;

mЧ - индекс модуляции;

Пш = 1,1П = 1,1289 = 318кГц - шумовая полоса линейного тракта;

,

Отсюда находим допустимый коэффициент шума

(-0,92 дБ)

(22,2 дБ)

1.5 Выбор промежуточной частоты

Промежуточная частота выбирается из следующих соображений:

Промежуточная частота не должна находиться в диапазоне принимаемых частот приёмника или близко от границ этого диапазона.

Промежуточная частота не должна совпадать с частотой какого-либо мощного передатчика.

С увеличением промежуточной частоты:

увеличивается избирательность по зеркальному каналу;

уменьшается избирательность по соседнему каналу;

расширяется полоса пропускания;

уменьшаются входное и выходное сопротивление электронных приборов, что приводит к увеличению шунтирования контуров;

ухудшается устойчивость УПЧ;

уменьшается коэффициент усиления на каскад за счёт уменьшения резонансного сопротивления контура;

уменьшается вредное влияние шумов гетеродина на чувствительность приемника.

С уменьшением промежуточной частоты:

увеличивается избирательность по соседнему каналу;

уменьшается избирательность по зеркальному каналу;

сужается полоса пропускания;

улучшается устойчивость УПЧ;

понижается коэффициент шума.

Для получения хорошей фильтрации ПЧ на выходе детектора должно быть выполнено условие:

fПЧ 10FВ,

где FВ - верхняя частота модуляции.

В России приняты стандартные значения выбора промежуточной частоты. В частности, Её значения 465 кГц, 10.7 МГц и др. Возьмем эти значения для наших диапазонов.

1.6 Выбор числа поддиапазонов и их границ

В профессиональных приемниках диапазон разбивается на поддиапазоны в зависимости от заданных технических условий. Так как в технических требованиях на проектируемый приемник границы и их количество не заданы, то коэффициент перекрытия всего диапазона:

,

где fmax и fmin - соответственно максимальная и минимальная частоты диапазона, разбивку на поддиапазоны производить не надо.

1.7 Распределение заданной величины избирательности

В приемниках супергетеродинного типа, профессиональных и радиовещательных, с однократным преобразованием частота принимается следующее распределение заданных величин избирательности:

избирательность по зеркальному каналу обеспечивается трактом радиочастоты;

избирательность по соседнему каналу обеспечивается трактом промежуточной частоты.

1.8 Распределение заданной неравномерности 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 приемлемым является распределение ослабления на краях полосы пропускания:

Ослабление на краях полосы не более, дБ:

всего тракта	14	тракта второй ПЧ	6
Тракта РЧ	02	предварительный УНЧ	12
Тракта первой ПЧ	12	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.

1.9 Определение эквивалентной добротности и числа контуров тракта радиочастоты

Определение эквивалентной добротности и числа резонансных контуров тракта радиочастоты производим по заданной избирательности по зеркальному каналу на максимальной частоте диапазона и по ослаблению на краях полосы пропускания приемника на минимальной частоте диапазона (т.е. рассматриваем наихудший случай).

Зададимся ориентировочным числом одиночных контуров входной цепи и каскадов УРЧ, которые настраиваются на частоту принимаемого сигнала, обеспечивают, главным образом, избирательность по зеркальному каналу и на промежуточной частоте.

Проведем расчет для двух одиночных контуров: nc=2.

Определим максимально допустимую добротность контуров QП, обеспечивающую заданное ослабление на краях полосы пропускания:

,

где fmin = 66 МГц - минимальная частота принимаемого сигнала;

П = 289 кГц - ширина полосы пропускания;

nс = 2 - число одиночных избирательных контуров;

п = 2дБ = 1,26 - ослабление на краях полосы пропускания, принятое для радиочастотного тракта.

Рассчитаем необходимую добротность контуров, обеспечивающую избирательность по зеркальному каналу:

,

где fmax = 74 МГц - максимальная частота принимаемого сигнала;

fЗmax = fmax - 2fпр = 74 - 21,4 = 52,6 МГц (знак “минус” - частота гетеродина ниже частоты сигнала);

fпр= 10,7 МГц - промежуточная частота ;

з =60дБ = 1000(раз) - избирательность по зеркальному каналу;

.

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

QЭК = QК = 0,6190 = 114,

где = 0,6 - коэффициент шунтирования электронным прибором (для транзистора)

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

В результате получили следующее неравенство: QИ < QЭК < QП. В этом случае QЭ должно быть не больше QЭК. Таким образом, принимаем число контуров nc=2 и эквивалентную добротность контура QЭmax = 90 (на максимальной частоте диапазона).

Вычислим эквивалентную добротность контура на нижней частоте диапазона:

где К - конструктивное затухание контура;

Эmax - эквивалентное затухание контура на верхней частоте диапазона;

Эmin - эквивалентное затухание контура на нижней частоте.

RВХmin , RВХmax - входное (выходное) сопротивление электронного прибора на максимальной и минимальной частотах диапазона (в нашем случае они равны). Выберем такой транзистор, чтобы на всем диапазоне частот он сохранял значения своих параметров неизменными.

Получили QЭmin < QП, следовательно расчет сделан правильно.

В результате расчета получаем : nc=2; QЭmax=90; QЭmin= 95.

Для найденных значений добротностей и количества контуров получаются следующие значения (расчет сделаем для верхней частоты из диапазона и, соответственно, для меньшего значения эквивалентного значения добротности колебательного контура):

а) избирательность по зеркальному каналу

;

б) ослабление на краях полосы пропускания

;

в) избирательность на частоте, равной промежуточной

,

где f0 - предельная частота принимаемого диапазона, ближайшая к промежуточной.

1.10 Расчёт необходимого коэффициента усиления линейного тракта

Необходимое усиление сигналов в линейном тракте следует обеспечить при достаточной устойчивости каскадов (как можно меньшем их числе), используя экономичные электронные приборы.

Вычислим коэффициент усиления линейного тракта радиоприемника K0 :

Если чувствительность задана в виде ЭДС сигнала в антенне , то необходимый коэффициент усиления линейного тракта до микросхемы рассчитаем следующим образом:

;

где - чувствительность приёмника;

- необходимый уровень сигнала, подаваемого на вход

микросхемы TEA5711T;

1.11 Расчет усилителя мощности

Выходное напряжение со стереодекодера (К174ХА14) составляет 200 мВ, а выходная мощность УНЧ должна быть 2х0,5 Вт при нагрузке 4 Ом (Кн=1%), согласно техническому заданию, значит ток в усилителе низких частот определяется как:

Этим условиям удовлетворяет ИМС К174УН22.!!!!!!

1.12 Результаты составления блок-схемы

Таким образом, в результате проведенного предварительного расчета приемника составим его блок - схему с указанием числа каскадов.

Рисунок 2 Блок-схема приемника

Входная цепь состоит из перестраиваемого одноконтурного полосового фильтра. В выходной цепи УРЧ имеется также перестраиваемый контур. Поэтому контур входной цепи, колебательный контур УРЧ должны настраиваться одновременно.

2. Расчет принципиальной схемы

2.1 Расчет входной цепи

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 предъявляется ряд требований. Некоторые из них:

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

Входная цепь должна обеспечить ослабление всех мешающих сигналов, в том числе помехи по зеркальному каналу, помехи на частоте, равной промежуточной, и на частоте соседнего канала.

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

Способ связи с антенной выбирается в зависимости от условий работы приемника. На волнах короче 10 м, где основной помехой радиоприемнику являются внутренние шумы, связь с антенной выбирается сильной, что обеспечивает наибольший коэффициент передачи напряжения сигнала и наилучшее соотношение сигнал/шум на входе первого каскада.

Схема с внешнеемкостной связью с антенной легко выполнима конструктивно и позволяет получить значительный коэффициент передачи и используется при малом коэффициенте перекрытия диапазона, поскольку величина коэффициента передачи по диапазону меняется пропорционально квадрату частоты.

Рассчитаем входную цепь для диапазона 66-74 МГц.

Определим коэффициент перекрытия диапазона принимаемых частот с запасом:

,

где f max = 1,02fmax , f min = 0,98fmin - крайние частоты принимаемого диапазона, взятые с запасом. Поскольку коэффициент перекрытия получился малым, рассчитаем входную цепь с внешнеемкостной связью с антенной.

Прежде всего необходимо выбрать величину емкости связи CСВ, от ее величины зависит влияние антенной цепи на входной контур. С увеличением CСВ за счет большого влияния цепи антенны расширяется полоса пропускания входной цепи, ухудшается избирательность и изменяется настройка контура. При уменьшении CСВ происходит уменьшение коэффициента передачи входной цепи. С учетом сказанного рекомендуется брать ССВ = 10 20 пФ. Возьмем CСВ = 20 пФ.

Для обеспечения перекрытия диапазона принимаемых частот в колебательном контуре будем применять встречное включение варикапов.

Произведем проверку перекрытия в случае использования варикапов КВ109Д, для которых Сmin = 7 пФ, а Сmax = 16 пФ. При встречном включении варикапов получаем Cmin = 3,5 пФ и Сmax = 8 пФ. Тогда эквивалентная емкость схемы

ССХ = СМ + СL + CВН = 5+1+2,4 = 8,4 пФ,

где СМ = 5пФ - емкость монтажа, СL = 1пФ - емкость катушки, СВН = 2,4пФ - емкость, вносимая следующим каскадом (входная емкость транзистора УРЧ).

Величина добавочной емкости колебательного контура:

СДОБ = ССХ - ССХ = 8,7 - 8,4 = 0,3 пФ

Т.к. СДОБ 0, значит варикапы выбраны правильно, и перекрытие диапазона происходит, а полная эквивалентная емкость схемы получается равной

СЭ = (Cmin + ССХ) (Cmax + ССХ) = 12,2 16,7 пФ

Рассчитаем величину полной емкости входного контура для трех точек диапазона с учетом влияния емкости антенны.

- емкость телескопической антенны для средней частоты первого диапазона.

Тогда для начала диапазона fmin

для средней частоты диапазона fср:

для конца диапазона fmax:

Теперь можно рассчитать коэффициент передачи входной цепи для трех точек из диапазона:

для fmin:

для fср:

для fmax:

Определим неравномерность коэффициента передачи в диапазоне:

Определим индуктивность катушки контура:

.

Рассчитанная схема входной цепи изображена на рис. 3.

Рис. 3 Принципиальная схема входной цепи

2.2 Расчет гетеродина

Гетеродин представляет собой маломощный генератор высокочастотных колебаний, который используется в преобразователе частоты. В выбранной микросхеме TEA5711 уже имеется встроенный гетеродин с выводами 22 и 23, к которым подключается частотозадающая цепь. Таким образом, расчет гетеродина сводится к расчету частотозадающей цепи. Поскольку проектируемый приемник предназначен для приема сигналов в диапазоне частот от 66МГц до 74МГц, а выбранная промежуточная частота равна 10,7 МГц, то частота гетеродина должна меняться в пределах от fmin = 66 - 10,7 = 55,3 МГц до fmax = 74 - 10,7 = 63,3 МГц.

3. Выбор элементной базы

Стремительный рост элементной базы и появление новых компонентов изменило радиоприемную технику. С появлением микросхем, приемники стали проектироваться на одной микросхеме, это значительно уменьшило их габаритные размеры и стоимость. Поэтому с целью миниатюризации основную часть элементов структуры рассчитываемого приемника реализуем на микросхемах.

При выборе микросхем обращалось внимание на напряжение питания, реальную чувствительность, коэффициент усиления и некоторые другие параметры, связанные с функциональным назначением выбираемой микросхемы, которые должны были удовлетворять техническому заданию либо результатам предварительного расчета.

3.1 Выбор преобразовательной и усилительной части приемника

В качестве преобразовательной и усилительной части приемника выбрана микросхема TEA5711.

Входной ЧМ сигнал поступает на вход смесителя (вывод 16) через разделительный конденсатор. На другой вход смесителя подаётся сигнал от внутреннего гетеродина. В качестве частотозадающего контура используется перестраиваемый LC-контур, обеспечивающий установку частоты в интервале от 55,3 МГц до 63,3 МГц. С выхода смесителя сигнал промежуточной частоты (10.7МГц) через ФСС, который обеспечивает заданную избирательность по соседнему каналу, поступает на вход усилителя-ограничителя. Усиленный ЧМ сигнал поступает на частотно-фазовый детектор.

С выхода частотного детектора продетектированный КСС с полярной модуляцией поступает вход стереодекодера. В качестве стереодекодера будем использовать микросхему К174ХА14, предназначенную для использования в стереовещательных системах с полярной модуляцией. (Схема включения и электрические параметры приведены в приложении 1).

3.2 Выбор усилителя низкой частоты

После преобразования комплексного сигнала в сигналы левого и правого каналов последние поступают на вход усилителя низкой частоты (УНЧ). В качестве усилителя низкой частоты выбрана микросхема К174УН22, которая является двухканальным УНЧ с максимальной выходной мощностью 20,65 Вт на нагрузку 24 Ом, коэффициент нелинейных искажений не более 0,05%. (Схема включения и электрические параметры приведены в приложении 1).

3.3 Выбор частотно - селективных цепей

Для обеспечения избирательности по соседнему и другим побочным каналам приема в последнее время используют фильтры сосредоточенной селекции (ФСС).

Согласно техническому заданию выбираем пьезокерамический фильтр ФП1П 8-3-1. Выбор фильтра производился согласно следующим требованиям. Во-первых, фильтр должен иметь центральную частоту, соответствующей промежуточной частоте приемника, т.е. равной 10,7 МГц. Во-вторых, ширина полосы пропускания фильтра должна быть 280 - 290 кГц.

При расстройке, соответствующей соседнему каналу, гарантированное затухание фильтра составляет 60 дБ. Таким образом, избирательность по соседнему и побочному каналам приема удовлетворяется. И наконец, фильтр выбирался исходя из минимального затухания полезного сигнала в полосе пропускания.

Параметры фильтра:

Центральная частота	10,7 МГц;
Ширина полосы по уровню 6 дБ	24040 кГц;
Ширина полосы по уровню 20 дБ	< 650 кГц;
Гарантированное затухание по соседнему каналу	60 дБ;
Вносимое затухание по основному каналу	610 дБ;
Неравномерность АЧХ	< 5 дБ.

Заключение

В результате выполнения курсового проекта был рассчитан радиовещательный ЧМ-приёмник, который состоит из следующих узлов:

Входная цепь с автотрансформаторной связью контура с телескопической антенной;

Микросхема фирмы “Philips” TEA5711T, реализующая функции преобразователя частоты, тракт обработки сигналов промежуточной частоты с частотной модуляцией и выполняющая функции усилителя-ограничителя, частотного демодулятора и предварительного усиления сигналов ПЧ.

Фильтр основной селекции, выполненный на кварцевых резонаторах;

Микросхема К174ХА14, представляющая собой стереодекодер полярномодулирован-ных комплексных стереосигналов.

Микросхема К174УН22, выполняющая функции усилителя мощности.

Размещено на Allbest.ru

...