Проектирование радиоприемного устройства КВ диапазона

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Квалификационная работа

Проектирование_радиоприемного устройства КВ диапазона



Введение

детектор преобразователь приемник

Радиоприемным устройством (РПУ) называют такое радиотехническое устройство, которое предназначено для приёма радиосигналов и преобразования их к виду, позволяющему использовать передаваемое сообщение.

Для передачи любого сообщения (речевого, текстового, изображения, цифровых данных и т.д.) с помощью радиоволн служит радиоканал, который соединяет источник и потребитель сообщения. Он содержит радиопередающее устройство, среду, в которой распространяются радиоволны, и радиоприемное устройство.

В радиопередающем устройстве сообщение преобразуется в соответствующий ему модулирующий сигнал. Этот сигнал модулирует высокочастотное колебание. С помощью передающей антенны происходит преобразование энергии радиосигнала, т.е. модулированного высокочастотного электрического колебания, в энергию электромагнитного поля. В виде радиоволн поле распространяется в окружающем антенну пространстве. При этом радиоволна может рассеиваться, поглощаться, отражаться от неоднородностей среды, преломляться и т.д. В результате энергия радиоволны в месте приема оказывается значительно меньше, чем вблизи передающей антенны. С помощью приемной антенны происходит обратное преобразование энергии электромагнитного поля высокой частоты в энергию электрического колебания. В результате цепи приемной антенны создается ЭДС радиосигнала, являющегося источником входного воздействия для РПУ.

Радиоприем сопровождается действием на радиоканал различных радиопомех, а также искажением сигнала. Радиопомехи и искажения сигнала могут привести к недопустимым искажениям в передаваемом сообщении.

Под помехами понимаются все действующие на РПУ колебания, которые мешают приему полезного сообщения и приводят к его искажению. Радиопомехи могут возникать вне РПУ, т.е. в среде распространения радиоволн (внешние помехи) и внутри него (внутренние помехи). Совокупность всех помех определяет электромагнитную обстановку (ЭМО) в месте приема.

Искажения вне РПУ связаны с физическими процессами, сопровождающими распространение радиоволн: многолучевостью, дисперсией и др. Искажения внутри РПУ обусловлены не идеальностью его характеристик, т.е. отличием характеристик РПУ от тех, которые не приводят к искажениям передаваемого сообщения.

Выделяют три составных части РПУ: 1) приемная антенна; 2) собственно РПУ, или радиоприемник, в котором осуществляется необходимые преобразования сигнала, используемого для передачи соответствующего сообщения; 3) выходное (оконечное) устройство (ОУ), в котором происходит преобразование сигнала в сообщение или обработка сигнала с целью его дальнейшего использования. Это устройство может входить в состав РПУ или быть автономным.

Радиосигнал, несущий полезную информацию, как правило, на выходе РПУ не является единственным и доминирующим по уровню мощности. Этот сигнал обычно мал и содержится в смеси с помехами, создаваемыми другими, одновременно работающими радиопередатчиками, а также источниками различных излучений. Передаваемое сообщение соответствует модулирующему колебанию и в явном виде во входном радиосигнале не содержится. Поэтому в РПУ необходимо осуществить: 1) выделение полезного сигнала из смеси его с помехами; 2) выделение модулирующей функции; 3) различные преобразования полезного сигнала с целью достижения возможности и удобства его использования.

Функция избирательности (селективности) - это функция выделения полезного сигнала из смеси «сигнал плюс помеха», в соответствии с некоторым различием их физических свойств и характеристик. А именно: 1) частотным; 2) пространственным; 3) поляризационным; 4) временным; 5) амплитудным и другими.

Функция демодуляции (детектирования) - эта функция РПУ, обратная модуляции в радиопередатчике. Она направлена на выделение модулирующего колебания из колебаний радиосигнала высокой частоты, используемого в радиосистеме для передачи полезной информации.

Функция усиления полезного сигнала обусловлена тем, что его уровень на входе РПУ, как правило, недостаточен для нормальной работы ОУ. Поэтому сигналы приходится усиливать.

Функция частотного преобразования радиосигнала предполагает преобразование области частот принимаемых сигналов в некоторую другую, заранее выбранную частотную область, где обеспечиваются наилучшие условия их обработки. Эта функция осуществляется в частотно-преобразовательных устройствах.

Функция адаптации (приспособления) к изменяющейся ЭМО предполагает изменение параметров РПУ с целью обеспечения заданного или максимально возможного в данных условиях приема качества работы РПУ. Необходимость в адаптации связана с изменением характеристик, как полезного сигнала, так и помех.

Радиоприемные устройства различаются по следующим принципам классификации:

1. Области применения: для звукового радиовещания, телевидения, радиосвязи, радиолокации, радионавигации, радиоизмерений, радиоастрономии и т.д. Каждой области радиотехники соответствует своя радиосистема и входящее в её состав РПУ.

2. Диапазону частот: НЧ, СЧ, ВЧ, ОВЧ, УВЧ и СВЧ. Радиовещательные приемники в зависимости от диапазона длин волн бывают ДВ, СВ, КВ и УКВ. Характерно, что РПУ различных диапазонов имеют структурные, схемные и конструктивные отличия, строятся на различной компонентной базе, и поэтому обычно выполняются, как самостоятельные устройства. Однако иногда возможно объединение (частичное или полное) РПУ разных диапазонов.

3. Виду принимаемых сигналов: непрерывных и дискретных.

4. Виду принимаемой информации: радиотелефонные, кодированных сообщений, телевизионные (прием подвижных изображений), фототелеграфные (прием неподвижных изображений) и др. Иногда в одном РПУ предусмотрен прием информации различных видов (условно «универсальные» РПУ, широко применяемые в радиосвязи).

5. Виду модуляции принимаемого радиосигнала: с АМ; ЧМ; и ФМ, которые обобщенно называют угловыми видами модуляции (УМ); АИМ; ШИМ; дельта-модуляции и т.д. Иногда в одном РПУ возможен прием сигналов с различными видами модуляции, однако в этом случае требуется полная или частичная смена приемного тракта и его узлов.

6. Условной «дальности действия» РПУ, входящего в определенную радиотехническую систему.

7. Месту установки РПУ: стационарные, переносные (носимые), мобильные (на подвижных сухопутных объектах), бортовые (для работы на судах, самолетах, спутниках космической связи, управляемых ракетах и снарядах и т.д.).

8. Способу питания: от сети переменного тока, гальванических батарей и аккумуляторов, солнечных батарей, с «универсальным» питанием, т.е. от нескольких источников.

9. Способу управления: с ручным, частично или полностью автоматическим, дистанционным, комбинированным управлением.

10. Массогабаритным характеристикам и др.



1. Расчет структурной схемы

1.1 Определение числа поддиапазонов

Для того чтобы приемник мог принимать сигналы от различных станций, имеющих различные частоты, он должен иметь перестраиваемую резонансную систему для настройки на эти частоты. Перестраиваемые резонансные системы находятся во входной цепи, гетеродине и в усилителях высокой частоты (ВЧ), если они резонансные.

Конструктивно настройка этих каскадов - это изменение реактивных элементов резонансной системы: индуктивности или емкости. Чаще всего реактивный элемент - емкость.

Конструктивно невозможно перестраивать емкость так, чтобы резонансная частота изменялась от fmin ДВ-диапазона до fmax УКВ-диапазона. Поэтому диапазон частот, который должен принимать приемник, разбивают на поддиапазоны.

Переход с поддиапазона на поддианазон осуществляется при помощи переключающихся индуктивностей.

Критерием, для того чтобы узнать, необходимо ли разбивать диапазон приемника на поддиапазоны, служит коэффициент диапазона Кд, рассчитываемый по формуле:

.

Разделение общего диапазона частот РПУ на поддиапазоны необходимо в том случае, когда коэффициент диапазона Кд, превышает значение коэффициента перекрытия, соответствующего классу проектируемого радиоприёмного устройства.

Разбивая весь диапазон на поддиапазоны необходимо предусмотреть взаимное перекрытие по частоте в пределах от интервала частот в поддиапазоне. В радиовещательных РПУ разбивка диапазона осуществляется так, чтобы были одинаковые коэффициенты перекрытия, по формуле:

Получим: f_max = 14МГц; f_min=7МГц; K_ПДмах =2; К_ПД=2.

Коэффициент перекрытия не превышает допустимый. Следовательно общий диапазон на поддиапазоны не разбивается.

1.2 Поверочный расчёт чувствительности приёмника

При предварительном расчете сопротивление антенны выбирается в пределах, а требуемое превышение сигнала над помехой зависит от назначения РПУ. Для радиовещательного приёмника (АМ-сигналы) требуемое превышение мощности сигнала над мощностью шумов на выходе РПУ равно.

На этапе предварительного расчёта коэффициент шума приёмника можно выбрать из рекомендаций. При рабочей частоте, коэффициент шума приёмника равен

1.3 Выбор промежуточной частоты приёмника

Предварительный выбор промежуточной частоты необходим для того, чтобы выполнить требования к подавлению зеркальной помехи, что в свою очередь связано с определением количества контуров входной цепи и УРЧ.

Для большинства простых радиовещательных приёмников преселектор состоит из одноконтурной входной цепи. Профессиональные и радиовещательные приёмники высокого класса имеют в составе преселектора чаще всего два контура, входящих в состав входной цепи либо одноконтурной цепи и входной нагрузки УРЧ.

Увеличение количества контуров преселектора приводит к усилению подавления зеркальной помехи, однако такой путь существенно усложняет аппаратную реализацию. Заданное подавление зеркальной помехи достигается за счёт применения двойного преобразования частоты при числе контуров преселектора не более двух.

,

где n=2 - число контуров в преселекторе, а Qэ=5060 - эквивалентная добротность нагруженных контуров в преселекторе.

При заданном можно найти нижнюю границу значения первой промежуточной частоты.

,

Выбранная промежуточная частота должна иметь такое значение, при котором наиболее эффективно можно будет обеспечить хорошую избирательность, как по соседнему, так и по зеркальному каналу.

Для обеспечения более высокой избирательности по зеркальному каналу, промежуточная частота должна быть по возможности выше (зеркальный канал отстает от полезного на), а для обеспечения избирательности по соседнему каналу - как можно ниже (соседний канал отстает от полезного на величину 10кГц). Однако с увеличением ухудшается добротность избирательной системы фильтра сосредоточенной избирательности (ФСИ), а, следовательно, не произойдет обеспечение высокой избирательности по соседнему каналу, вследствие чего на нагрузке радиоприемного устройства будет выделяться сигнал с частотой. Поэтому, чтобы этого не случилось необходимо, чтобы ФСИ обладал достаточно высокой избирательностью, а это возможно только при достаточно низкой, так как при уменьшении увеличивается добротность.

При большой добротность ФСИ меньше, его АЧХ имеет более пологие скаты и более широкую полосу пропускания, в которую входит сигнал с соседнего канала. В случае если меньше - добротность ФСИ больше, полоса пропускания меньше и сигнал с соседнего канала в эту полосу не входит.

Возникло противоречие: с одной стороны нужно увеличить для обеспечения высокой, с другой стороны нужно уменьшить для обеспечения высокой. Поэтому чтобы удовлетворить эти два условия нужно выбрать необходимую.

Промежуточная частота должна иметь стандартное значение, установленное ГОСТом, поскольку на таких частотах мощные радиостанции не работают.

Руководствуясь унификацией радиоэлектронной аппаратуры, выберем промежуточную частоту из принятого стандартного ряда номинальных значений промежуточных частот: 80, 100, 115, 215, 465, 500, 750, 900 кГц, 4, 5, 30, 60 и 10,7 МГц. Также учтём, что не должна находиться в диапазоне принимаемых частот.

Следуя ГОСТу видно, что промежуточная частота для КВ диапазонов равна 465 кГц.

Исходя из выше написанного, сделаем вывод, что для данного приемника промежуточная частота равна 465 кГц, так как данный приемник длинноволновый.

Fp = 46510³ - промежуточная частота.

Qэ = 50 - эквивалентная добротность нагруженных узлов преселектора.

,

(n=2) = 33200 или (n=2) = 20lg33200 = 90,42дБ.

Так как полученная избирательность выше заданной, то в схеме преселектора будет два контура (рис. 1).

Рис. 1. Структурная схема преселектора с двумя контурами

1.4 Выбор структурной схемы приёмника

Современные радиоприёмные устройства строятся, как правило, по супергетеродинной схеме с одним или двумя преобразователями частоты. Двойное преобразование частоты, характерно для профессиональных радиопередающих устройств, позволяет за счет высокой первой промежуточной частоты существенно увеличить подавление зеркальной помехи, а за счёт низкой второй промежуточной частоты получить хорошую избирательность по соседнему каналу.

- Требуемый коэффициент усиления.

Исходя из полученных данных можно распределить коэффициенты усиления по контурам и сформировать структурную схему (рис. 2).

Рис. 2. Структурная схема РПУ



ВЦ - входная цепь; УРЧ - усилитель радиочастоты; СМ - смеситель; Г - гетеродин; УПЧ - усилитель промежуточной частоты; Д - детектор; ОУ - оконечное устройство.

ВЦ - Ку = 2; УРЧ - Ку =15; СМ - Ку = 10; Ф - Ку = 10; УПЧ - Ку = 120;

fпр = 465 кГц.



2. Расчет входной цепи

Входная цепь (рис. 3) служит для связи приемника с антенной. Настроенные контуры входной цепи повышают избирательность приемника и ослабляют специфические для супергетеродина помехи по зеркальному каналу, т.е. помехи от станций, отличающихся по частоте от принимаемой на величину, равную удвоенной промежуточной частоте. В целях лучшего ослабления этих помех качество входных контуров (их добротность) должно быть как можно выше.

Поскольку приемник рассчитывается на прием широкого диапазона радиочастот, к его входной части предъявляют два основных требования:

1) возможно большая равномерность усиления по диапазону для обеспечения равномерной чувствительности приемника;

2) возможно большая независимость параметров приемника от данных антенны, подключение которой во всех случаях не должно нарушать настройки и градуировки приемника.

3)

Рис. 3. Схема входной цепи

Подбираем конденсаторы C1, C2, C3 для нашего диапазона частот

7МГц - 14 МГц.

Смах = 200пФ, Сmin = 50пФ.

Находим минимальную частоту:



,

где

Аналогично получаем значение f_max:

,

где

Выберем емкости из полученного диапазона:

С1 = 10 -100пФ, С2 = 8 - 68пФ, С3 = 32пФ

Находим значение собственной проводимости:

,

где Q_k=200 - конструктивная добротность.

Определяем коэффициенты включения m2 и m1 исходя из заданной эквивалентной добротности, где Ra-сопротивление антенны:

m2=0.36, Ra=75Ом, R11=1010³Ом.

, (10)

, (11)



= 0,013, = 1?10^-4..

,

= 0,065.

,

= 77,239

Рассчитаем резонансный коэффициент усиления:

,

= 2,754.



3. Выбор и расчёт усилителя радиочастоты

Усилители радиочастоты (УРЧ) следуют непосредственно за входной цепью приемника и выполняют многочисленные функции, основными из которых являются следующие: усиление принимаемых сигналов на несущей частоте, необходимое для улучшения реальной чувствительности радиоприемного устройства за счет увеличения отношения мощности полезного сигнала к мощности шумов; обеспечение избирательности радиоприемника к сильным помехам, вызывающим нелинейные эффекты, избирательность по побочным каналам приема, таким, как зеркальный канал и канал на промежуточной частоте (избирательность УРЧ по соседнему каналу, как правило, невелика); ослабление паразитного излучения гетеродина через входную цепь и антенну.

В современных радиоприёмниках с высокой реальной чувствительностью, как правило, используется один каскад усилителя радиочастоты (УРЧ). Для обеспечения высокой шумовой чувствительности достаточно иметь коэффициент усиления каскада К₀5.

Транзисторы в УРЧ применяются как биполярные, так и полевые и выбираются по частотным свойствам. Важно, чтобы граничная частота (f_S) транзистора была гораздо выше рабочей частоты (f₀). В частности, при f₀<0,3f_S параметры транзистора практически не зависят от частоты. На рис. 4 показана схема УРЧ на биполярном транзисторе с общим эммитером, которая обеспечивает наибольшее усиление полезного сигнала.



Рис. 4. Усилитель радиочастоты

Выберем транзистор КТ301Ж (кремневый планарный n-p-n-транзистор, предназначенный для усиления и генерирования колебаний на частотах до 60МГц). Расчет усилителя сводится к определению коэффициентов включения, элементов связи транзистора с контуром и резонансного коэффициента усиления.

Минимальная C_kmin=12-25пФ, максимальная С_kmax=250-500пФ емкость контура, индуктивность контура равна L_k=5000мкГн.

1. Рассчитаем коэффициенты включения в контур транзистора УРЧ и следующего транзистора:

,

,

2. Определяются элементы связи контура с транзисторами. При автотрансформаторной связи, коэффициенты включения равны отношению числа витков от соединяемого с корпусом конца катушки индуктивности до соответствующего отвода к общему числу витков:

,

3. Резонансный коэффициент усиления УРЧ:

,

где - крутизна транзистора; - резонансное эквивалентное сопротивление контура.

4. Устойчивый резонансный коэффициент усиления:

,

;

где n₁ - коэффициент включения транзистора УРЧ во входной контур; n₂ - коэффициент включения транзистора следующего каскада в контур УРЧ; K_y=0.80.9 - коэффициент запаса устойчивости; A= - мера активности транзистора. Так как полученные значения К₀ и К_0У не удовлетворяют условию К₀? К_0У, подберем значения коэффициентов включения таким образом, чтобы это условие выполнялось.



4. Выбор и обоснование смесителя

Смесители являются ключевым элементом преобразователей частоты в современных радиоприёмных устройствах. Смесители подразделяются на два основных типа:

1. Аддитивные, у которых суммируется напряжения сигнала и гетеродина и затем детектируется каким-либо нелинейным элементом.

2. Мультипликативные, в которых напряжения гетеродина и сигнала перемножаются.

В обоих случаях смесители могут быть активными, то есть представлять собой каскад усиления, работающий в нелинейном режиме и обеспечивающий помимо преобразования частоты ещё и усиление сигнала, и пассивными. В пассивных смесителях могут использоваться диоды или полевые транзисторы, работающие в режиме управляемых резисторов. Пассивные смесители обладают большим динамическим диапазоном, так как менее подвержены перегрузкам сильными сигналами.

Выберем смеситель на полевом транзисторе в режиме управляемого сопротивления (рис. 5). Сигнал с входного контура подаётся на исток транзистора, а сигнал несущей частоты снимается с истока. Источника питания не требуется. Напряжение гетеродина подается на затвор транзистора и управляет сопротивлением канала.

Рис. 5. Смеситель



Известно, что при небольших напряжениях промежуток исток-сток полевого транзистора ведет себя как линейный резистор, независимо от полярности приложенного напряжения. В то же время сопротивление канала может изменяться от десятков Ом до многих мегаОм в зависимости от напряжения затвор-исток. Это позволяет использовать полевой транзистор в смесителях как управляемый линейный элемент.

К основным достоинствам такого смесителя относится высокая чувствительность, поскольку по каналу транзистора не проходит ни ток питания, ни ток гетеродина, а только слабый ток сигнала, при этом транзистор шумит не многим сильнее обычного резистора с тем же сопротивлением. Характерна и высокая линейность, так как проводимость канала не зависит от небольшого входного напряжения.

Кроме того, смеситель отличается малым проникновением сигнала гетеродина во входную цепь и исключительно малой мощностью, требуемой от гетеродина, поскольку входное сопротивление по цепи затвора велико.



5. Выбор и обоснование гетеродина

Основное требование к гетеродинам - стабильность частоты вырабатываемых колебаний. Для приемников любительской радиосвязи это требование существенно выше, чем к гетеродинам радиовещательного приемника (радиовещание на ведется с амплитудной модуляцией). При приеме сигналов с AM частота выделенного на выходе приемника напряжения ЗЧ определяется разностью частот несущей и боковых составляющих, излучаемых передающей станцией, и не зависит от стабильности частот гетеродинов приемника с амплитудным детектором. Стабильность настройки такого приемника должна только обеспечить нахождение спектра принимаемого сигнала внутри полосы пропускания приемника, и уход частоты настройки на единицы килогерц вполне допустим. Поэтому принципиальные трудности при создании приемников возникают именно в обеспечении кратковременной стабильности частот гетеродинов. Приняв допустимый абсолютный уход частот гетеродинов приемника за несколько минут равным 50 Гц, получим требование кратковременной стабильности частоты высокочастотного гетеродина приемника при работе на диапазоне 10 м 50 Гц/20*10⁶Гц = 2,5*10^-6. Такое значение кратковременной относительной стабильности легко реализуется в генераторах с кварцевой стабилизацией. Поэтому в современных профессиональных приемниках частоты гетеродинов формируются из частоты высокостабильного кварцевого генератора в синтезаторах частоты, имеющих дискретную установку частоты с шагом до 10 Гц.

Спектральная чистота - это наличие в спектре сигнала только одной синусоидальной составляющей. Если вблизи этой составляющей имеются, пусть и очень слабые (которые можно обнаружить только специальными анализаторами спектра), составляющие шумов, то они могут существенно снизить чувствительность приемника. Наличие в сигнале гетеродина его гармонических составляющих и остатков сигналов комбинационных частот, возникших при синтезировании частоты, приведет к появлению большого числа пораженных внутренними помехами точек в рабочих диапазонах. Требуемые характеристики гетеродинов можно получать, используя приведенную ниже схему (рис. 6).

Рис. 6. Гетеродин

На рис. 6 приведена схема транзисторного автогенератора, перестраиваемого в диапазоне частот, который определяется параметрами колебательного контура. Напряжение, подаваемое на преобразователь частоты, снимается с резистора R_Э4 в эмиттерной цепи транзистора, что обеспечивает хорошую развязку цепей автогенератора и преобразователя.

Амплитуда напряжения обратной связи, подаваемого на эмиттер (амплитуда напряжения в точке А при R_Э2 = 0), необходимая для получения устойчивой генерации приблизительно равна 70…100 мВ. Если на преобразователь частоты нужно подать такое же напряжение, то резистор R_Э3 может отсутствовать.

Наличие сопротивления R_Э2 не является необходимым условием для работы гетеродина. Однако при его отсутствии требуемый коэффициент включения контура во входную цепь транзистора p₁ может оказаться столь малым, что его будет трудно реализовать (т.е. выполнить катушку связи). Включение R_Э2 позволяет увеличить p₁, так как оно принимает на себя избыточное напряжение обратной связи. Кроме того R_Э2 создает некоторую отрицательную обратную связь по переменному току и этим несколько уменьшает амплитуды высших гармоник автогенератора. Рекомендуется выбирать значение R_Э2 порядка нескольких десятков ом.

Так как сумма сопротивлений R_Э2, R_Э3 и R_Э4 может оказаться недостаточной для стабилизации режима транзистора по постоянному току, то необходимо ввести резистор R_Э1, зашунтированный конденсатором C_Э. Эту цепочку можно было бы включить между R_Э4 и корпусом, однако практика показывает, что включение дополнительных элементов во входную цепь транзистора смесителя нежелательно.



6. Выбор фильтра

Выберем кварцевый фильтр исходя из технического задания. Кварцевый фильтр ФП1П-024б своими характеристиками полностью подходит для решения поставленной задачи.

Основные параметры кварцевого фильтра ФП1П-024б:

Средняя частота полосы пропускания, кГц: 465

Полоса пропускания по уровню 6дБ, кГц: 8,5. 12,5

Затухание при отстройке от центральной частоты ± 9кГц, S_ck дБ: 35

Вносимое затухание в полосе пропускания дБ: 9,5

Входное сопротивление кОм: 2

Выходное сопротивление кОм: 2



7. Выбор и расчет усилителя промежуточной частоты

Рассчитаем резонансный усилитель промежуточной частоты (рис. 7)

Рис. 7. Резонансный УПЧ

В качестве усилительного элемента выберем транзистор КТ382Б с характеристиками:

Максимально допустимое напряжение коллектор-база U_кбо=15В

Максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер U_кэо =10В

Максимально допустимый постоянный ток коллектора I_кmax = 20мА

Статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером h_21э =40-330

Зададим ток коллектора 3мА, а напряжение питания 12В.

1) Определим ток базы:

,

где ток коллектора I_к = 3 мА;

А;

2) ток делителя определим по соотношению:

,

А;

4) находим сопротивление резистора R8:

,

,

Ом;

4) используя полученные величины, определим сопротивление резистора R7 и R6:

,

где ДU_бэ = 0,6 - 0,7В

5) определим емкость конденсатора:



6) найдем коэффициент усиления:

,

где , ;.



8. Выбор и обоснование преобразователя частоты

Функционально преобразователь частоты включает в себя три составные части - гетеродин, смеситель и выходной полосовой фильтр. Гетеродин представляет собой генератор сигнала синусоидальной формы, настраиваемый либо с фиксированной частотой. Смеситель - основная часть преобразователя, нелинейное электронное устройство, в котором происходит образование нужного спектра. Принцип действия смесителя состоит в том, в результате нелинейных процессов образуются комбинационные гармоники, частоты которых равны разностям или суммам частот гармоник входных сигналов, либо частот кратных частотам исходных гармоник. Амплитуды полученных комбинационных гармоник пропорциональны амплитудам исходных, таким образом, каждый из наборов комбинационных гармоник (разностных, суммарных, разностных и суммарных кратным) эквивалентен спектру входного сигнала, сдвинутому по частоте. Полосовой фильтр предназначен для селекции нужного набора гармоник, обычно выполнен по стандартной схеме полосового фильтра на LC-элементах.

Конструктивно преобразователь частоты может быть выполнен в виде единого устройства, в том числе на интегральной микросхеме с дополнительными элементами, в виде двух блоков (блок гетеродина и блок смесителя с фильтром) либо, в некоторых случаях, в разнесённом виде, например, в установках для измерения ослаблений смеситель и фильтр представляют собой обособленные устройства, а в качестве гетеродина используется сторонний измерительный генератор, не входящий в комплект установки.

Преобразователь частоты применяется, главным образом, в супергетеродинных радиоприёмниках, а также в различных радиоизмерительных - селективных вольтметрах, анализаторах спектра, модулометрах и девиометрах, установках для измерения ослаблений. Его применение в этих случаях позволяет снизить рабочую частоту основного тракта усиления и селекции сигнала (тракта ПЧ), также сделать этот тракт неперестраеваемым, то есть, для настройки радиоприёмника на разные несущие частоты изменяется частота гетеродина преобразователя, несущая частота выходного сигнала, называемая промежуточной частотой (ПЧ), остаётся неизменной.

В транзисторных приёмниках КВ диапазона преобразователь частоты выполняется, как правило, по схеме с общим гетеродином (рис. 8), что позволяет получить более высокие качественные показатели приёмника и создать оптимальные условия работы для транзисторов гетеродина и смесителя. В нагрузке преобразователя частоты включается резонансная система, настроенная на промежуточную частоту.

Рис. 8. Преобразователь частоты



9. Выбор и обоснование детектора

Амплитудным детектором (АД) называется устройство, предназначенное для получения на выходе напряжения, изменяющегося в соответствии с законом модуляции амплитуды входного гармонического сигнала. Процесс детектирования амплитудно-модулированных (АМ) сигналов вида

u_c (t) u_a(t) cos(щ_ct),

где u_a(t)U_c[1m_ax(t)], m_a  1 - коэффициент глубины модуляции; U_c - амплитуда несущего колебания с частотой щ_c, заключается в воспроизведении модулирующего сообщения x(t) с наименьшими искажениями. Спектр сообщения x(t) сосредоточен в области низких частот (частот модуляции), а спектр сигнала u_c (t) - в области частоты щ_c, значение которой обычно намного превышает значение наивысшей частоты модуляции. Преобразование спектра при демодуляции возможно только в устройствах, выполняющих нелинейное или параметрическое преобразование входного сигнала u_c(t).

При использовании нелинейного устройства, обладающего квадратичной вольт-амперной характеристикой, выходной ток имеет вид:

,

где В-постоянный коэффициент. После устранения фильтром низких частот (ФНЧ) составляющей с частотой 2щ_c получим:

.



В этом токе содержится составляющая вида , пропорциональная передаваемому сообщению, а также составляющая , которая определяет степень нелинейных искажений модулирующего сообщения x(t).

Параметрическое преобразование осуществляется путем умножения u_c (t) на опорное колебание, имеющее вид: u₀(t)U₀cos(щ_ct). В этом случае результат перемножения определяется следующим выражением:

u_c(t) u₀(t)u_a(t) U₀ [0,5+0,5cos(2щ_ct)].

Составляющая с частотой 2щ_c устраняется ФНЧ и в результате формируется низкочастотный сигнал вида 0,5U₀ u_a(t). Отделяя постоянную составляющую 0,5U₀U_c, например, при помощи разделительного конденсатора, получаем сигнал вида 0,5U₀U_cm_ax(t), форма которого определяется передаваемым сообщением x(t).

К основным характеристикам и параметрам амплитудного детектора относятся:

1. Детекторная характеристика представляет собой зависимость постоянной составляющей ₌ выходного напряжения от изменения амплитуды U_с немодулированного сигнала u_c(t)U_ccos(щ_ct). Уровень нелинейных искажений, имеющих место при детектировании, определяется видом детекторной характеристики. По детекторной характеристике можно определить диапазон изменения амплитуды u_a(t) модулированного сигнала (1), при котором нелинейные искажения модулирующего сообщения x(t) не будут превышать определенного предела.

2. Крутизна детекторной характеристики определяется как производная:



.

3. Крутизна детекторной характеристики является безразмерной величиной и по аналогии с показателями любого усилительного узла характеризует передаточные свойства детектора.

4. Коэффициент нелинейных искажений является численной мерой нелинейных искажений модулирующего сообщения x(t) при гармонической модуляции с частотой   2F:

,

где U_n - амплитуда колебания с частотой n на выходе амплитудного детектора.

5. Коэффициент передачи амплитудного детектора определяется при гармонической модуляции с частотой отношением:

,

где U - амплитуда колебания с частотой на выходе амплитудного детектора.

6. Частотная характеристика является зависимостью коэффициента передачи амплитудного детектора от частоты модуляции kf().

7. Коэффициент фильтрации амплитудного детектора задается отношением:

,



где U - амплитуда первой гармоники высокочастотного колебания на выходе амплитудного детектора.

В данном радиоприёмнике необходимо использовать амплитудный детектор, так как сигнал, который он демодулирует является амплитудно - модулированным (рис. 9).

Рис. 9. Амплитудный детектор

9.1 Принцип действия и характеристики диодного детектора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Схема амплитудного диодного детектора изображена на рис. 10. На вход детектора поступает высокочастотный сигнал u_c(t). Детектор представляет собой последовательное соединение диода VD и нагрузочной цепи (фильтра): конденсатора С_н и резистора R_н, включенных параллельно. С нагрузочной цепи снимается выходное колебание u_вых(t).

Значение тока через диод i_g для режима покоя (u_c(t)=0) может быть найдено из уравнений:



где U_g - напряжение на диоде VD (рис. 10).

Первое уравнение является уравнением вольтамперной характеристики (ВАХ) диода как безынерционного нелинейного элемента. Из-за нелинейного характера ВАХ, форма тока через диод i_g при синусоидальной форме сигнала u_c(t) не является синусоидальной. В составе тока появляется постоянная составляющая, которая, протекая по резистору R_н, создает падение напряжения U₌, смещающая положение рабочей точки. При увеличении амплитуды входного напряжения смещение рабочей точки увеличивается, и ток через диод будет приближаться по форме к однополярным импульсам.

На рис. 11 приведены формы напряжений и токов на входе детектора для двух случаев, когда амплитуды входных сигналов удовлетворяют неравенству U_c⁽¹⁾ <U_c⁽²⁾. Тогда постоянные составляющие напряжений U₌⁽¹⁾<U₌⁽²⁾ и I₌⁽¹⁾<I₌⁽²⁾. На этом же рисунке условно изображена зависимость i_g=f(t).



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вольтамперная характеристика диода в широком диапазоне токов достаточно точно аппроксимируется экспоненциальной зависимостью:

где I_об - абсолютное значение величины обратного тока диода, ц - температурный потенциал, равный при Т293? примерно 26 мВ.

Зависимость постоянной составляющей U₌ от амплитуды приложенного напряжения U_c дается детекторной характеристикой (рис. 3).

Анализ выражения (6) позволяет сделать два основных вывода:

1) с увеличением R_н возрастает крутизна детекторной характеристики,

2) с увеличением уровня сигнала снижается степень нелинейности детекторной характеристики, и наоборот, детектирование «слабых» сигналов сопровождается значительными нелинейными искажениями закона модуляции.

3) В этой связи различают два режима работы диодного амплитудного детектора:

4) детектирование «слабых» сигналов,

5) детектирование «сильных» сигналов.

6) в режиме «слабых» сигналов, нетрудно показать, что детекторная характеристика имеет квадратичный вид, т.е.

,

и, соответственно, коэффициент нелинейных искажений в этом случае при x(t) = 0 равен:

.

Например, допустимое значение k_н в системах радиовещания не превышает нескольких процентов (k_н  5%), что налагает ограничения на допустимый коэффициент глубины амплитудной модуляции в передатчике. Дополнительным недостатком работы на квадратичном участке детекторной характеристики является малый коэффициент передачи, затрудняющий работу последующих усилительных каскадов.

В режиме «сильных» сигналов вольтамперная характеристика диода аппроксимируется линейной зависимостью i_g=f(u_g). В этом случае появляется заметное напряжение смещения на анод диода из-за значительной величины U₌, т.е. диод работает в режиме отсечки, и ток проходит через него только в течение тех интервалов времени, когда . На рис. 11 показан угол отсечки и тока диода. На интервале времени, соответствующем углу 2и, происходит быстрый заряд конденсатора C_н (рис. 1) через открытый диод. В течение времени, когда диод закрыт, конденсатор C_н разряжается через резистор R_н.

Т.о., несмотря на наличие угла отсечки, диодный детектор и в режиме «сильных» сигналов является линейным детектором и при малых значениях угла не создает нелинейных искажений модулирующего сигнала x(t).

Нелинейные искажения при детектировании «сильных» сигналов определяются:

1. нелинейностью начального участка вольтамперной характеристики диода. При этом, чтобы гарантировать работу вне существенно нелинейного участка, например, в области 0?U_c?U_c⁽¹⁾ на рис. 10, необходимо выбирать значение U_c исходя из неравенства:

.

2. различием сопротивлений детектора по постоянному и переменному токам.

3. При использовании усилителя с входным сопротивлением

R_УНЧ  (5 - 10) R_н и выборе величины емкости разделительного конденсатора C_p, обеспечивающей его малое сопротивление по переменному току по сравнению с R_УНЧ из условия:

,

где Щ_min - минимальная частота модулирующего сигнала, этим видом нелинейных искажений можно пренебречь.

4. нелинейностью процесса заряда и разряда конденсатора C_н. При этом возникает фазовый сдвиг между напряжениями U₌ и u_a(t). В моменты времени, когда u_a(t)  U₌, конденсатор C_н будет разряжаться через резистор R_н по экспоненциальному закону. Анализ показывает, что малый уровень нелинейных искажений этого вида обеспечивается при условии:

,

где Щ_max - максимальная частота модулирующего сигнала.

Кроме рассмотренных выше нелинейных искажений в режиме детектирования «сильных» сигналов возникают частотные искажения, обусловленные присутствием в выходном напряжении гармоник высокочастотного колебания. С целью уменьшения уровня колебания высокой частоты на выходе амплитудного детектора величина емкости конденсатора C_н выбирается из условия:

,

а коэффициент фильтрации в этом случае определяется выражением:

k_ф  щ_cC_нr_g,

где r_g - сопротивление диода в открытом состоянии.



10. Анализ результатов

В результате было спроектировано РПУ полностью соответствующее заданным характеристикам:

Избирательность по соседнему каналу узк(2) = 182 превышает заданную у_ЗК=60 у_ЗК= 20lg182 = 90,42дБ

Общий коэффициент усиления К_У=3.98110⁶, превышает ориентировочный.



Список литературы

детектор преобразователь приемник

1. Аржанов В.А. Устройства приёма и обработки сигналов: Учеб.-метод. пособие. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2000. - 68 с.

2. Аржанов В.А. Проектирование радиоприёмных устройств: учеб. пособие / В.А. Аржанов, А.П. Науменко. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008. - 312 с.

3. Аржанов В.А. Нелинейные эффекты в линейном тракте радиоприёмного устройства: Учеб. пособие. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 1998. - 104 с.

4. Аржанов В.А. Резонансные усилители: Учеб. пособие. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2004. - 128 с.

5. Аржанов В.А., Науменко А.П. Проектирование устройств приема радиосигналов: Учеб.пособие. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 1994. - 136 с.

6. Курсовое и дипломное проектирование. Метод. указания / Сост.: В.А. Аржанов, Ю.М. Вешкурцев, И.В. Никонов, М.Г. Семенов. Омск: - Изд-во ОмГТУ, 1997. - 44 с.

7. Горшелев В.Д. и др. Основы проектирования радиоприёмников. - Л.: «Энергия», 1977. - 384 с. с ил.

8. Богданович Б.М., Окулич Н.И., Радиоприемные устройства: Учеб. пособие для вузов. Под общ. ред. Б.М. Богдановича. - Мн.: Выш. шк., 1991. - 418 с.: ил.

9. Радиоприемные устройства: Учебник для вузов/Н.И. Фомин, Н.Н. Буга, О.В. Головин и др.; Под. ред. Н.Н. Фомина. - М.: Радио и связь, 1996. - 512 с.

Размещено на Allbest.ru

...