Приемник радиостанции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Приемник радиостанции



Введение

приемник схема супергетеродинный радиостанция

Основные составляющие устройства радиоприема - это антенна, радиоприемник и оконечное устройство. В следующем проекте мы рассчитываем и составляем структурную схему участка, находящегося до демодулятора радиоприемника, построенного на супергетеродинном принципе с двумя преобразованиями.

При усилении высокочастотного сигнала возникают определенные трудности. Чем выше частота принимаемого сигнала, тем сложнее выполнить усилитель высокой частоты. Возможность усиления колебаний ограничена сравнительно небольшими пределами (из-за опасности возникновения паразитных колебаний), особенно если частота лежит в коротковолновой части радиовещательного диапазона, а тем более в области коротких волн.

Его широкополосность тоже приводит к определенным трудностям. Ведь единственный пригодный для высоких частот тип усилителя -- резонансный. Но необходимость перестройки всех контуров при переходе от одной станции к другой очень усложняет конструкцию усилителя и обращение с ним. Естественно, при развитии микроэлектроники цена этих затрат постепенно снижается, но одновременно осваиваются все более высокочастотные диапазоны. Получается своего рода замкнутый круг.

Обе эти трудности могут быть устранены одним и тем же методом-- преобразованием принимаемых колебаний любой частоты в колебания одной и той же фиксированной частоты. Эта частота выбирается пониженной, чтобы можно было получить достаточно большое усиление, и на нее настраивается резонансный усилитель.

Супергетеродинный радиоприёмник (супергетеродин) -- один из типов радиоприёмников, основанный на принципе преобразования принимаемого сигнала в сигнал фиксированной промежуточной частоты (ПЧ), что позволяет осуществлять основное усиление в неперестраиваемом усилителе и на постоянной белее низкой частоте, что, в свою очередь, позволяет выполнить их с намного более лучшими характеристиками. Супергетеродинный приёмник изобрели почти одновременно немец Вальтер Шоттки и американец Эдвин Армстронг в 1918 году, основываясь на идее француза Л. Леви.



1. Структурная схема супергетеродинного приемника

Упрощённая структурная схема супергетеродина с однократным преобразованием частоты представлена на рисунке:

Радиосигнал из антенны подаётся на вход усилителя радиочастоты (в упрощённом варианте он может и отсутствовать), а затем на вход смесителя -- специального элемента с двумя входами и одним выходом, осуществляющего операцию преобразования сигнала по частоте. На второй вход смесителя подаётся сигнал с локального маломощного генератора высокой частоты -- гетеродина. Колебательный контур гетеродина перестраивается одновременно с входным контуром смесителя (и контурами УРЧ) -- обычно конденсатором переменной ёмкости (КПЕ), реже катушкой переменной индуктивности. Таким образом, на выходе смесителя образуются сигналы с частотой, равной сумме и разности частот гетеродина и принимаемой радиостанции. Разностный сигнал постоянной промежуточной частоты (ПЧ) выделяется с помощью полосового фильтра и усиливается в усилителе ПЧ, после чего поступает на демодулятор, восстанавливающий сигнал низкой (звуковой) частоты.

В современных приёмниках в качестве гетеродина используется цифровой синтезатор частот с кварцевой стабилизацией.

В современных приёмниках в качестве гетеродина используется цифровой синтезатор частот с кварцевой стабилизацией.

В обычных вещательных приёмниках длинных, средних и коротких волн промежуточная частота, как правило, равна 465 или 455 кГц, в бытовых ультракоротковолновых -- 6,5 или 10,7 МГц. В телевизорах используетсяпромежуточная частота 38 МГц.

В связных и высококлассных вещательных приемниках применяют двойное (редко -- тройное) преобразование частоты

2. Преимущества супергетеродинного приемника

Высокая чувствительность. Супергетеродин позволяет получить большее усиление по сравнению с приёмником прямого усиления за счёт дополнительного усиления на промежуточной частоте, не приводящего к паразитной генерации: положительная обратная связь не возникает из-за того, что в каскадах ВЧ и ПЧ усиливаются разные частоты.

Высокая избирательность, обусловленная фильтрацией сигнала в канале ПЧ. Фильтр ПЧ можно изготовить со значительно более высокими параметрами, так как его не нужно перестраивать по частоте. Например, широко используют кварцевые, пьезокерамические и электромеханическиефильтры сосредоточенной селекции, а также фильтры на поверхностных акустических волнах. Они позволяют получить сколь угодно узкую полосу пропускания с очень большим подавлением сигналов за ее пределами.

Возможность принимать сигналы с модуляцией любого вида, в том числе с амплитудной манипуляцией (радиотелеграф) и однополосной модуляцией.

3. Недостатки супергетеродинного приемника

Основным недостатком супергетеродинного приемника является появление дополнительных каналов приема.

Промежуточная частота может быть образована при помощи двух уравнений. При этом результат невозможно отличить друг от друга:

Это приводит к тому, что супергетеродинным приемником могут одновременно приниматься сразу два частотных канала, отстоящих друг от друга на величину 2f_пч. Один из этих каналов называется рабочим каналом, а другой -- зеркальным. Описанная ситуация иллюстрируется следующим рисунком:

Основной способ избавиться от зеркального канала -- это подавить его сигнал во входной цепи радиоприемника, иначе говоря, подавление зеркального канала зависит от избирательности входной цепи супергетеродина и относительной расстройки частоты зеркального канала:

Частота принимаемого по каналу прямого прохождения сигнала. Смеситель работает как обычный усилитель, на вход которого подается сигнал промежуточной частоты. Усиление сигнала происходит без преобразования частоты. Обычно именно по каналу прямого прохождения получается наибольшее усиление сигнала, вследствие этого данный побочный канал является одним из наиболее опасных.

Кроме упомянутого, имеют место следующие недостатки:

- усложнение схемы и конструкции приемника;

- возможное собственное излучение приемника в результате проникновения гетеродина в антенну;

- снижение частотной точности за счет нестабильности частоты гетеродина.

4. Требования к избирательности и чувствительности

Требования к избирательности полосового фильтра входной цепи супергетеродинного приемника значительно ниже требований к полосовому фильтру приемника прямого усиления. Это связано с тем, что зеркальный канал отстроен от принимаемой частоты значительно дальше соседнего канала. Чем выше выбирается значение промежуточной частоты, тем ниже будут требования к полосовому фильтру входной цепи. При этом будут возрастать требования к полосовому фильтру промежуточной частоты. Конкретный выбор значения промежуточной частоты позволяет оптимизировать требования, как к тракту промежуточной частоты, так и требования к входной частоте.

При расчете структурной схемы очень важно правильно распределить коэффициенты усиления каждого блока. Чувствительность приемника определяется уровнем шума каждого из каскадов, однако наибольшее влияние на этот параметр оказывает первый каскад приемника. Для того чтобы последующие каскады не оказывали существенного влияния на чувствительность приемника, можно поднять усиление первого каскада, однако это приведет к возрастанию интермодуляционных искажений, поэтому в большинстве случаев приходится ограничиваться компенсацией потерь в последующих каскадах. Пример распределения коэффициента усиления по каскадам супергетеродинного приемника приведен на следующем рисунке:

Разработка структурной схемы является ответственным этапом проектирования радиоприемного устройства. В каждом конкретном случае приходится учитывать особенности принимаемого сигнала и требования к параметрам устройства в целом.

5. Расчет основных параметров приемника

Заданные значения

- нижняя частота приема

- верхняя частота приема

- соотношение сигнал/шум

- девиация частоты

- полоса защитного интервала между каналами

- искажения выходного сигнала

- чувствительность приемника

- относительная нестабильность частоты сигнала

- волновое сопротивление

- нижняя частота спектра сигнала

- верхняя частота спектра сигнала

- избирательность по соседнему каналу

- избирательность по зеркальному каналу

- избирательность по каналу прямого прохождения

- напряжение питания

6. Расчет параметров

Индекс модуляции:

Ширина спектра сигнала:

Абсолютная нестабильность частоты сигнала:

Абсолютная нестабильность частоты гетеродина:

Абсолютная нестабильность частоты УПЧ:



Абсолютная суммарная нестабильность частоты:

Полоса сигнала:

Коэффициент поддиапазона:

Ширина полосы одного канала:

Число каналов:

Выходное соотношение С/Ш (в разах):



Входное соотношение С/Ш (в разах):

Эффективная шумовая полоса:

Для обеспечения требуемой чувствительности без учета внешних помех, коэффициент шума должен удовлетворять неравенству:

Коэффициент шума (в децибелах):

Коэффициент усиления линейного тракта (в разах):

Коэффициент усиления линейного тракта (в децибелах):



7. Составление и расчет структурной схемы

Ввиду высокой частоты приема (более 400 МГц) разрабатываемый приемник будет иметь два преобразования частоты. Для обеспечения необходимой избирательности и чувствительности в структурную схему следует так же включить усиливающие и фильтрующие элементы. Исходя из выше сказанного, составлена следующая упрощенная структурная схема супергетеродинного приемника с двумя преобразованиями частоты (на схеме не указан радиочастотный переключатель):

1. Переключаемый блок входных полосовых фильтров

2. Усилитель радиочастоты

3. Первый преобразователь частоты (смеситель)

4. Полосовой фильтр первой ПЧ

5. Усилитель первой ПЧ

6. Второй преобразователь частоты (смеситель)

7. Полосовой фильтр второй ПЧ

8. Частотный детектор

8. Выбор значений промежуточных частот

Для первого преобразования выбрана частота 77 МГц, это обеспечивает разнесение по частотному диапазону рабочего и зеркального канала (обеспечение избирательности по входному каналу). Для второго преобразования выбрана частота 128 кГц, что обуславливается применением микросхемы Si4702 фирмы Silicon Labs.

Первая промежуточная частота должна лежать в пределах:

Расчеты подтверждающие правильность выбора:

9. Расчет максимальных и минимальных частот гетеродинов

Первый гетеродин:

Из расчетов видно, что диапазон частот первого гетеродина лежит в пределах от 532 МГц, до 557 МГц. Для обеспечения требований ТЗ относительная нестабильность частоты гетеродина не должна превышать 10^-5, что легко обеспечивается применением в качестве гетеродина цифрового синтезатора LTC6946, рекомендуемого для работы с используемым в нашем приемнике смесителем LT5551.

Второй гетеродин:

Представляет собой интегрированный на кристалл микросхемы Si4702 ГУН, вырабатывающий частоту 128 кГц. Опорным сигналом для ГУН является либо внешний тактовый сигнал 32,768 кГц, либо встроенный генератор с внешним часовым кварцем. Настройка на входную частоту 77 МГц осуществляется программно через регистры внутреннего блока AGC, эта функция возложена на микроконтроллер PIC10F200, который осуществляет настройку при каждом включении приемника.

10. Обеспечение избирательности

Частота канала прямого прохождения равна промежуточным частотам, т.е. 128 кГц и 77 МГц. Избирательность по этому каналу осуществляется во входных фильтрах путем подавления сигнала на данных частотах. Пьезоэлектрических фильтров с требуемой полосой пропускания не смогла предоставить ни одна из рассмотренных компаний (были рассмотрены фильтры компаний K&L, Sawiek, AQW и др.), поэтому было использовано поочередное включение двух фильтров с помощью RF-фидера. Подавление на частотах прямого прохождения составляет более 60 дБ, что соответствует требованиям ТЗ.

Частота зеркального канала:

Избирательность по этому каналу осуществляется во входном фильтре путем подавления сигнала на данных частотах. Подавление соответствует требованию в 50 дБ.

Избирательность по соседнему каналу осуществляется в понижающем преобразователе частоты микросхемы Si4702 путем подавления сигнала на данных частотах. Подавление соответствует требованию в 52 дБ и выше при выборе полосы защитного интервала в 300 кГц.

Вышесказанное подтверждается документацией к соответствующим компонентам (см. приложения).



11. Распределение усиления по каскадам линейного тракта

Для обеспечения требуемой чувствительности необходимо усиление входного сигнала на 23,0542 дБ до второго преобразователя, интегрированного в модуль с чувствительностью 2,5 мкВ. Основное усиление будет происходить во входной цепи с помощью УРЧ (+35 дБ). Преобразователь частоты LT5551 также имеет усиление в 2,4 дБ.

Фильтры линейного тракта (входные, первой ПЧ) и RF-свич вносят суммарное затухание 10,1 дБ.

Сложив все показатели получим усиление сигнала в линейном тракте равное 24,9 дБ, что превышает расчетное значение коэффициента усиления линейного тракта, с запасом в 1,85 дБ.

Перегрузка входным сигналом микросхемы Si4702 при таких параметрах невозможна, т.к. она успешно регулируется встроенным компенсатором.

12. Выбор элементной базы

Оценка коэффициента усиления линейного тракта

Элемент	Маркировка	Усиление, дБ
Входной фильтр	FP-475-B12 FP-460-B20-7	-3,6 -3,7
УРЧ	Skyworks SKY65116	+35
1-ый ПЧ	LT5551	+2,5
Фильтр 1-ой промежуточной частоты	ФП3П7-509-002	-6
УПЧ	Si4702(встроенный)	Общее усиление: 45
2-ой ПЧ	Si4702(встроенный)
Фильтр 2-ой промежуточной частоты	Si4702(встроенный)
Линейный тракт до микросхемы-демодулятора	?дем.	24,9
Полное усиление схемы	?	69,9

Полученный коэффициент усиления:

Расчетный коэффициент усиления, необходимый для обеспечения заданной чувствительности:

Очевидно что:

Полученное усиление превышает расчетное на 1,85 дБ, что свидетельствует о выполнения требований ТЗ относительно чувствительности (с запасом).

Оценка коэффициента шума линейного тракта

Элемент	Маркировка	Коэффициент шума, дБ
УРЧ	Skyworks SKY65116	6
1 ПЧ	LT5551	10
Линейный тракт	?	16

Полученный коэффициент шума:

Расчетный коэффициент шума, необходимый для обеспечения заданной чувствительности:

Очевидно что:

Полученный коэффициент шума линейного тракта меньше расчетного, свидетельствует о выполнения требований ТЗ относительно чувствительности приемника (без учета внешних помех).



Список используемой литературы

1. Горшелев В.Д. и др. Основы проектирования радиоприемников. Л.: Энергия, 1977. - 384 с.

2. Проектирование радиоприемных устройств. Под ред. А.П. Сиверса. М.: Сов. радио, 1976. - 488 с.

3. Паршин Ю.Н., Салтыков Е.Н. Проектирование радиоприемных устройств. Рязань: РГРТУ, 2008.

4. Паршин Ю.Н., Колесников С.В. Проектирование радиоприемных устройств для систем радиосвязи. Рязань: РГРТУ, 2013. - 64 с.

Размещено на Allbest.ru

...