Характеристика работы приемника радиостанции

18

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию РФ

Рязанский государственный радиотехнический университет

Кафедра РТУ

Курсовая работа

по дисциплине «Устройства приема и обработки сигналов»

на тему: «Приемник радиостанции»

Рязань 2012



Содержание

Введение

1. Administration

2. Анализ технического задания

3. Выбор и расчет структурной схемы приемника

4. Расчет энергетического плана

5. Расчет коэффициента шума

6. Расчет избирательности приемника

7. Расчет усилительных свойств приемника

8. Выбор смесителя

9. Выбор фильтров ПЧ

10. Выбор остальных каскадов приемника

11. Выбор детектора

12. Выбор УНЧ

13. Краткое описание работы принципиальной схемы

Заключение

Список используемой литературы



Введение

Важнейшим функциональным элементом радиотехнических систем является радиоприемное устройство, способное воспринимать радиосигналы и преобразовывать их к виду, обеспечивающему использование содержащейся в них информации. В состав радиоприемного устройства входят собственно радиоприемник, антенна и оконечное устройство. Антенна воспринимает энергию электромагнитного поля и преобразует ее в радиочастотное напряжение. Приемник выделяет из спектра входных колебаний полезные сигналы; усиливает их за счет энергии местного источника питания; осуществляет обработку, ослабляя действие помех, присутствующих во входном колебании; детектирует радиочастотные сигналы, формируя колебания, соответствующие передаваемому сообщению. В оконечном устройстве энергия выделяемых сигналов используется для получения требуемого выходного эффекта - звукового, визуального, механического и т.д. Оконечное устройство может быть совмещено с приемником или представлять собой отдельное устройство.

Достижения и тенденции техники радиоприема в последние годы обусловлена взаимосвязанными процессами развития интегральной микроэлектроники, внедрения методов и средств цифровой обработки сигналов и вычислительной техники и дальнейшего освоения микроволновых диапазонов. Цифровые интегральные модули средней и большой степени интеграции обеспечивают повышение технических и эргономических показателей приемников.[3]



1. Administration

The most important functional element of radio systems is a radio receiver that can receive signals and convert them to a form that ensures the use of the information contained therein. The structure of the radio receiver are actually radio antenna and terminal. The antenna receives electromagnetic energy and converts it into radio frequency voltage. The receiver allocates the spectrum of the input vibrations useful signals; amplifies them by the local energy supply; performs processing relaxing effect of interference present in the input vibration; detects radio frequency signals forming oscillations corresponding transmitted message. The terminal uses the energy allocated to signals to obtain the desired output effect - audible, visual, mechanical, etc. The terminal device may be combined with the receiver or be a separate device.

Achievements and trends in radio technology in recent years due to the interrelated processes of integrated microelectronics, implementation methods and means of digital signal processing and computer technology and further development of the microwave range. Digital integrated modules of medium and high level of integration provide increased technical and ergonomic parameters of the receivers. [3]

2. Анализ технического задания

Радиоприёмное устройство является неотъемлемой частью практически любой радиотехнической системы. В настоящее время существует большое разнообразие радиоприемных устройств, определяемое различием радиотехнических систем, в состав которых они входят. Несмотря на такое многообразие, все радиоприемные устройства связывает общность построения структурной схемы и ряд функций характерных для любого приемника. Функции приемника вытекают из условий приема сигналов:

- наличие помех;

- малая мощность сигнала;

- наличие передаваемого сообщения в преобразованном виде, в форме модуляции несущих колебаний радиочастоты.

Соответственно в приемнике должно происходить:

- выделение нужного сигнала из спектра колебаний, создаваемых внешними полями в антенне;

- усиление сигнала;

- преобразование радиосигнала в ток, изменяющийся по закону модуляции несущих колебаний, позволяющий воспроизвести сообщение, которым модулирован передатчик корреспондента (детектирование).

Поскольку при детектировании меняется частотный спектр подводимого сигнала, очевидно, что этот процесс требует применения нелинейной или параметрической цепи. Кроме того, уже продетектированный сигнал требует дополнительного усиления.

Первые приемники - приемники прямого усиления. Приемники прямого усиления работают на относительно низких частотах из-за ухудшения избирательных свойств с повышением частоты.

Гетеродинные преобразователи частоты были впервые применены еще в начале 20-го века в связи с переходом в телеграфных радиопередатчиках от искровых к дуговым и машинным генераторам. Они служили для преобразования в приемниках колебаний радиочастоты в колебания тональной частоты, пригодные для слухового приема. Такие приемники получили название гетеродинных. Позже, дополнительно было введено предварительное преобразование радиочастоты в промежуточную частоту, приемники работающие по такой схеме стали называть супергетеродинными.

В дальнейшем это название сохранилось для всех приемников с преобразованием частоты в усилительном тракте до детектирования.

Основное усиление и избирательность супергетеродинного приёмника обеспечивает так называемый усилитель промежуточной частоты (УПЧ). Напряжение с промежуточной частотой образуется в одном из первых каскадов супергетеродинного приемника - в преобразователе частоты (ПЧ).

Отличительной особенностью супергетеродинного приемника является то, что независимо от частоты принимаемого сигнала промежуточная частота фиксирована, а величина ее выбирается так, чтобы обеспечить требуемое усиление и избирательность. Таким образом, супергетеродинный приемник представляет своего рода комбинацию из преобразовательного каскада и приемника прямого усиления, работающего на фиксированной частоте. Роль такого приемника выполняет УПЧ и последующие за ним каскады.

Постоянство промежуточной частоты и возможность преобразования ее ниже радио частоты позволяет получить ряд больших преимуществ:

1) Резонансные цепи УПЧ не требуется перестраивать. Это сильно упрощает конструкцию и увеличивает надежность приемника.

2) Благодаря фиксированной настройке колебательных контуров, УПЧ имеет неизменную АЧХ и постоянный коэффициент усиления. Поэтому общая АЧХ приемника, а также его общий коэффициент усиления мало зависят от частоты настройки.

3) При усилении сигналов на пониженной (промежуточной) частоте емкостные и индуктивные обратные связи проявляются слабее, и это позволяет увеличить коэффициент усиления без опасности самовозбуждения.

4) На промежуточной частоте проще осуществить качественную фильтрацию, чем на радиочастоте.

Следует отметить, что обладая большими принципиальными достоинствами, супергетеродинные приемники не лишены некоторых недостатков. В первую очередь, это наличие паразитных каналов приема. Основной паразитный канал носит название зеркального или канала симметричной станции. Ослабление помех, действующих на частоте зеркального канала, возможно только с помощью избирательных систем, включенных до преобразователя, т.е. с помощью ФРЧ и входной цепи.

Степень подавления помех, действующих на частоте зеркального канала, можно повысить, увеличив промежуточную частоту. Однако при этом надо иметь ввиду, что увеличение ПЧ может привести к недопустимому расширению полосы пропускания УПЧ и снижению избирательности по соседнему каналу. В указанном обстоятельстве заключено основное противоречие при выборе между высокой и низкой промежуточной частотой. Обычно удается выбрать компромиссное значение ПЧ, которое обеспечивает требуемую избирательность как по соседнему, так и по зеркальному каналу.

На рисунке изображена ось частот, используемая в работе супергетеродинного ЧМ приемника, где fс - частота принимаемого сигнала, fЗК - частота зеркального канала.

Другой недостаток супергетеродинного приемника состоит в возможности возникновения комбинационных частот. Основной мерой для подавления этого эффекта является снижение уровня гармонических составляющих гетеродинного напряжения и сигнала выбором соответствующего режима работы смесителя.

При проектировании супергетеродинного приемника все перечисленные недостатки могут быть практически полностью устранены, причем и устранение достигается, в основном, рациональным выбором величины промежуточной частоты и режима работы преобразовательного каскада. Характеризуя достоинства супергетеродинного радиоприемника, следует отметить, что этот тип приемника является единственным, который способен обеспечить высокое усиление и избирательность во всех радиочастотных диапазонах. Поэтому супергетеродинный метод радиоприема, являющийся в настоящее время основным, и предложен для реализации в данном дипломном проекте.

В связи с тем, что заданный диапазон частоты сигнала 419…420 МГц число преобразований частоты равное двум. Основное преимущество двукратного преобразования - общее усиление приемного устройства распределяется по нескольким частотам, при этом заметно уменьшается опасность самовозбуждения через различные паразитные связи. Для тесного монтажа в малогабаритных радиоустройствах указанное преимущество крайне важно.

Элементная база выбиралась в соответствии с используемыми частотами. Также следует отметить, что при выборе унифицированных промежуточных частот были учтены требования к подавлению зеркального канала и избирательности производимых промышленностью фильтров промежуточной частоты.

Все супергетеродинные приёмники состоят из трёх основных частей: линейного тракта, демодулятора и устройств регулировок (управления). Линейный тракт одинаков для приёмников различных типов. Он состоит из входной цепи (ВЦ), усилителя высокой (радиочастоты) (на схемах обычно обозначается УРЧ или УВЧ), смесителя (СМ) и гетеродина (Г) преобразователя частоты, а также усилителя промежуточной частоты (УПЧ). Если супергетеродинный приёмник работает по схеме двойного преобразования частоты, то перед детектором ставится ещё один смеситель, гетеродин и ещё один усилитель промежуточной частоты.

Возможны три типа супергетеродинных приёмников с двойным преобразованием частоты: 1) с фиксированной настройкой, 2) с перестройкой частоты 1-го гетеродина, 3) с перестройкой частоты 2-го гетеродина, УПЧ-1 (и, если нужно, контуров входной цепи и УРЧ).

При проектировании была использована конструкция супергетеродинного приёмника с перестройкой частоты 1-го гетеродина, которая осуществляется посредством микроконтроллера радиостанции.

Устройство работает следующим образом. С антенны сигнал радиочастоты попадает в устройство разделения трактов (УРТ) приёмного и передающего устройства радиостанции. Далее сигнал проходит через полосовой фильтр и усилитель высокой (радиочастоты), которые образуют преселектор. Затем, с помощью фильтра радиочастоты (ФРЧ), который пропускает полезную составляющую, усиленный сигнал и сигнал гетеродина, формируемый первым гетеродином Г1 попадает в смеситель (СМ1). Разностный сигнал f1ПЧ = fприема - fгетеродина1 поступает на фильтр. Фильтр обеспечивает избирательность по ложным каналам второго преобразования. Отфильтрованный сигнал поступает на усилитель первой промежуточной частоты (УПЧ1), после чего поступает во второй смеситель (СМ2). Разностный сигнал f2ПЧ = f1ПЧ - fгетеродина2 отфильтровывается и поступает на вход усилителя второй промежуточной частоты, затем на ограничитель и частотный детектор с фазовой автоподстройкой частоты, после чего усиливается усилителем низкой частоты (УНЧ). После усиления, сигнал низкой частоты попадает в звуковой модуль, предназначенный для регулировки и маршрутизации звукового сигнала.

При построении функциональной схемы приёмного устройства в первую очередь необходимо учитывать диапазон рабочих частот, класс излучения, чувствительность и массогабаритные размеры.

Элементная база, применяемая в разрабатываемом приемном устройстве, должна быть современной, недефицитной и миниатюрной. Проектирование с использованием современной базы предполагает интеграцию различных функциональных звеньев в корпусах отдельных микросхем. Более высокая степень интеграции (большее число блоков в одной микросхеме) ведёт к снижению цены конечного устройства, улучшению его массо-габаритных и технических параметров. Использование ИМС упрощает согласование отдельных функциональных устройств, так как основные параметры у большинства ИМС стандартизированы.

3. Выбор и расчет структурной схемы приемника

Высокие требования к электрическим характеристикам современных профессиональных приемников предопределяют их построение по схеме супергетеродина.[2]

Произведем расчет средней частоты диапазона:

,

Расчет числа каналов:

,

где Дf=25 кГц-разнос по частоте соседних каналов.

Реальная ширина спектра определяется следующим образом:

, где

- коэффициент модуляции,

- девиация частоты, - максимальная частота манипуляции.

=5100 Гц;

,

Выбор числа преобразований частоты и номиналов промежуточных частот



- верхняя частота диапазона приемника;

а - параметр рассогласования антенно-фидерной системы и входа приемника (a=1);

- добротность контуров в тракте сигнальной частоты;

- требуемое техническим заданием подавление зеркального канала;

- число контуров в тракте сигнальной частоты, в том числе во входном устройстве (n=2). [1]

По ТЗ =68 дБ, значит

Зададимся значением = 75

Пользуясь таблицей 3.2, приведенной на стр. 28 [1], находим для известной величины , значение

=75

зависит от типа схемы и числа каскадов в тракте основной ПЧ. Ее значения лежат в пределах 0.5…1 для каскадов с двухконтурными фильтрами, с двойками и тройками расстроенных контуров. [1, стр. 29]

=0.75

,

,

Анализируя полученные значения величин и , делаем вывод, что необходимо использовать два преобразования частоты.

С точки зрения ослабления влияния комбинационных каналов приема предпочтителен выбор по крайней мере в 5…10 раз ниже ,т.е.:

Гц

По возможности следует выбирать стандартизованные значения основных промежуточных частот, в соответствии с которыми создаются типовые блоки и необходимая измерительная аппаратура.

В профессиональных приемниках применяются значения промежуточных частот: 85, 128, 215, 300, 465, 500, 915, 1222 кГц; 12.8, 10.7, 37.8, 42.8 МГц [1]

,

,

Перенос спектра ниже минимальной частоты диапазона резко упрощает схему приемника, так как при этом уменьшается количество преобразований частоты, облегчается получение в каскадах, стоящих после преобразователя, высоких коэффициентов усиления и высокой избирательности. Однако при этом более трудно получить сильное подавление побочных каналов приема по зеркальной и промежуточной частотам. [2, стр. 49]

Тогда:

,

,

Ориентировочное число контуров в тракте, необходимое для обеспечения заданных требований ослабления побочных каналов первого преобразования: приемник колебание шум радиосигнал

,

т.е. число контуров равно 3.

4. Расчет энергетического плана

Необходимо рассчитать отношение сигнал-шум на вход приемника и определить допустимый коэффициент шума приемника.

Считаем, что источником шумов на входе приемника являются тепловые шумы в антенне.

Напряжение входного сигнала (чувствительность по ТЗ)

Uвх = 5мкВ

Определим квадрат напряжения шума на входе приемника по формуле Найквиста:

, где

- постоянная Больцмана,

T = 233 K (t = 20є C) - температура окружающей среды,

RA = 50 Ом - сопротивление антенны по ТЗ,

Дf - полоса частот одного канала.

.

Рассчитаем полосу пропускания приемника:

- уравнение Манаева:

fдев - девиация частоты(ТЗ)

Fв.мод. - модулирующие частоты

Определим отношение сигнал-шум на входе приемника:

,



где - чувствительность,

,

Отношение сигнал-шум на выходе приемника не менее: qвых = 9 дБ,

Допустимый коэффициент шума приемника, в дБ:

Кш(ТЗ) = qвх - qвых ,

Кш(ТЗ) = 38 - 9 = 29 дБ.

Значение реального коэффициента шума не должно превышать рассчитанного выше значения, то есть на выходе приемника должно обеспечиваться отношение сигнал-шум не ниже заданного в ТЗ.

5. Расчет коэффициента шума

Коэффициент шума приемника

Рассмотрим первые каскады приемника до смесителя, так как они вносят основную долю шумов.

Формула для расчета коэффициента шума:

На этапе расчета структурной схемы, учитывая относительную сложность расчета, полагают, что чувствительность приемника в основном определяется шумами первого каскада, и принимают

Кш1=Кш.урч=1.8 дБ, тогда

Кш=1.2*1.8=2.16 дБ

Определим значение ОСШ на выходе приемника и сравним его с ТЗ:

qвых. дБ = qвх. дБ - Кш дБ = 38 - 2.16 = 35.84 дБ;

Полученное отношение сигнал/шум выше заданного по ТЗ (35.84 дБ>9 дБ), поэтому считаем требование выполненным

6. Расчет избирательности приемника

Избирательность по зеркальному каналу обеспечивается фильтрами промежуточной частоты. Используем для этих целей фильтры на ПАВ, т.к. производитель имеет возможность произвести такой фильтр с любыми требуемыми параметрами. В данном случае требуется фильтр с fном=fпч1= МГц, полосой пропускания затухание вне полосы пропускания 30 дБ. Требуемая по ТЗ избирательность по соседнему каналу 75 дБ, поэтому используем три ПАВ фильтра.

7. Расчет усилительных свойств приемника

Чувствительность на входе микросхемы в единицах мощности:

Rвх.УРЧ=50 Ом

дБм

Для нормальной работы приемного устройства сигнал на входе микросхемы MC13150FTA должен быть выше чувствительности данной ИМС, т.е. выше -100 дБм. Следовательно, каскады, предшествующие данной ИМС, должны обеспечить суммарное усиление большее, чем -100 - (-121) = 21 дБ.

Суммарное усиление каскадов (при этом потери, вносимые входной цепью, принимают равными нулю):

Результат показывает, что выбранные элементы обеспечивают необходимый коэффициет усиления.

8. Выбор смесителя

Преобразователь частоты супергетеродинного радиоприемника осуществляет функцию перемещения спектра принимаемого сигнала. Это перемещение происходит в преобразователе без нарушения ширины спектра и с сохранением закона модуляции. Он обеспечивает практически линейную зависимость между амплитудой промежуточной частоты и амплитудой напряжения сигнала. [2]

В качестве смесителя выбрана микросхема MC13142D.

Данная микросхема включает в себя усилитесь радиочастоты (УРЧ), первый смеситель (СМ1) и генератор управляемый напряжением (Г1).

Основные параметры:

- диапазон рабочих частот 0..1,8 ГГц

- диапазон частот ГУН 0..1,8 ГГц

- диапазон ПЧ 0..1,8 ГГц

- напряжение питания 2,7..6 В

- входное сопротивление УРЧ 50 Ом

- усиление УРЧ по мощности 17 дБ

- коэффициент шума УРЧ 1,8 дБ

- коэффициент шума смесителя 12 дБ

- диапазон рабочих температур

9. Выбор фильтров ПЧ

В качестве фильтра первой промежуточной частоты используем ПАВ фильтр.

Основные параметры:

- центральная частота 37,8 МГц

- полоса пропускания 16 кГц

- минимальное гарантированное

затухание -30 дБ

В качестве фильтра второй промежуточной частоты используем фильтр
ФП1П1-7-М

Основные параметры:

- центральная частота 465 кГц

- полоса пропускания 16 кГц -6 дБ

- минимальное гарантированное затухание -38 дБ

- максимальные потери -4 дБ

- неравномерность 1 дБ

- диапазон рабочих температур

10. Выбор остальных каскадов приемника

RF3345

Используем данную микросхему как усилитель первой промежуточной частоты (УПЧ1).

Основные параметры:

- напряжение питания

- полоса пропускания 150 МГц

- коэффициент усиления 8..34 дБ

- входное сопротивление 2000 Ом

- выходное сопротивление 10 Ом

- диапазон рабочих температур

ADF4110

На этой микросхеме реализуем синтезатор сетки частот.

Основные параметры:

- максимальная частота 550 МГц

- напряжение питания 2,7..5,5 В

- программируемый ДПКД 8/9, 16/17, 32/33, 64/65

- диапазон рабочих температур

11. Выбор детектора

Для детектирования ЧМ непрерывных сигналов в основном используются три типа ЧМ - детекторов: дифференциальный со связанными и настроенными в резонанс на промежуточную частоту контурами, дифференциальный с расстроенными контурами и дробный. Все три типа детекторов содержат преобразователь частотной модуляции, преобразующий изменения частоты ЧМ - сигнала в пропорциональное частоте изменение амплитуды сигнала, и два одинаковы, обычно диодных, амплитудных детектора. Для устранения паразитной Ам модуляции Чм сигналов в состав преобразователей модуляции вводятся амплитудные ограничители, включаемые до частотного различителя. [2]

Микросхема супергетеродинного приемника MC13150FTA с одним преобразованием частоты. Включает в себя второй смеситель (СМ2), усилитель второй промежуточной частоты (УПЧ2), второй гетеродин (Г2), усилитель-ограничитель (УО) и частотный детектор (ЧД).

Основные параметры:

- напряжение питания

- диапазон рабочих частот 10..500 МГц

- чувствительность 12 дБ по SINAD -100 дБм

- точка компрессии 1 дБ -11 дБм

- усиление УПЧ 42 дБ

- усиление УО 96 дБ

- регулируемая рабочая полоса детектора 0..70 кГц

- диапазон рабочих температур

12. Выбор УНЧ

В качестве УНЧ выбрана TDA1015, имеет следующие параметры:

-Напряжение питания - 3,6...18 В;

- Максимальный потребляемый ток - 2,5 А;

- КНИ (Р=1 Вт, RL=4 Ом) - 0,3 %;

- Ток покоя - 14 мА;

13. Краткое описание работы принципиальной схемы

Сигнал с передатчика поступает на антенну, далее на избирательные контура, которые ослабляют помехи побочных каналов и сильных внешних помех. После сигнал поступает на вход ИМС МС13142D, усиливается, где выделяется разностный сигнал f1пч=fc-fг1. (Гетеродин и смеситель входят в состав данной микросхемы).Сетка частот реализуется с помощью синтезатора частот ADF4110.

После МС13142D сигнал поступает на фильтр, усилитель первой промежуточной частоты RF3345, после чего усиленный сигнал идет на вход ИМС МС13150FTA, где выделяется второй разностный сигнал f2пч=f1пч-fг2. (В смесителе, входящем в состав данной микросхемы, из сигнала f1пч вычитается сигнал второго гетеродина, также входящем в ИМС). Сигнал второй промежуточной частоты поступает на усилитель-ограничитель, который защищает усилительные элементы от сигналов большого уровня, далее детектируется и поступает на усилитель низкой частоты TDA1015 и устройство воспроизведения (динамик).



Заключение

В ходе работы над проектом было спроектировано устройство приема и обработки сигналов, составлена его принципиальная схема. Приемник удовлетворяет всем требованиям технического задания, питание осуществляется от источника 5 В.



Список используемой литературы

1. Устройства приема и обработки сигналов. Системное и схемотехническое проектирование. Двойнин В.Н., Дуров А.А. Редакционно-издательский центр РГРТУ. 2007.

2. Горшелев В.Д. и др. Основы проектирования радиоприемников. Л., «Энергия», 1977, 384 с. С ил.

3. Буга Н.Н. и др. Радиоприемные устройства: Учебник для вузов/ Н.Н. Буга, А.И. Фалько, Н.И. Чистяков; Под ред. Н.И. Чистякова. - М.: Радио и связь, 1986. - 320 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru

...