Разработка приемника связной радиостанции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Современный мир нельзя представить без радиосвязи. Радиоприёмник (радиоприёмное устройство) -- устройство для приёма электромагнитных волн радиодиапазона (то есть с длиной волны от нескольких тысяч метров до долей миллиметров) с последующим преобразованием содержащейся в них информации к виду, в котором она могла бы быть использована. Сегодня технология производства достигла такого уровня, что все устройство можно выполнить на маленькой микросхеме.

Радиоприемники можно классифицировать по ряду признаков, из которых основным являются: 1)тип схемы; 2)вид принимаемых сигналов; 3)назначение приемника; 4)диапазон частот; 5)вид активных элементов, используемых в приемнике; 6)тип конструкции приемника.

В связных радиостанциях чаще всего применяются частотно-модулированные сигналы, что даёт выигрыш по мощности примерно в 30 раз, по сравнению с АМ из-за более высокой устойчивости ЧМ сигналов к действию помех.

Целью данного курсового проекта является разработка приёмника связной радиостанции диапазона часто 412-412,5 МГц и шагом сетки часто 2,2 кГц с использованием современной элементной базы.

С целью селекции заданного диапазона частот 455-480 МГц, во входной цепи поставим полосовой фильтра 803-RF412.25M-A. Его характеристики приведены в следующей таблице:

Таблица 1

Центральная частота, МГц	Полоса на уровне -2дБ, МГц	Потери, дБ	Подавление, дБ	Входное и выходное сопротивления, Ом
412,25	3,1	2,5	40	50

Основной каскад выполним ИМС MC13135 фирмы Motorola(спецификация приведена в приложении), которая представляет собой узкополосный ЧМ приемник с двойным преобразованием частоты. В нем осуществляется двойное преобразование частоты, усиление, ограничение по амплитуде и детектирование сигнала. Спецификация ИМС приведена в приложении.

На первую промежуточную частоту выберем кварцевый фильтр фирмы Golledge 10G15C со следующими основными характеристиками:

Таблица 2

Центральная частота, МГц	Полоса на уровне - 3 дБ, кГц	Полоса на уровне - 65 дБ, кГц	Потери, дБ
10,7	15	50	3

В качестве фильтра на вторую промежуточную частоту выберем фильтр фирмы Murata SFPLA450kE1A-B0, со следующими основными характеристиками:

Таблица 3

Центральная частота, кГц	Полоса на уровне - 6 дБ, кГц	Полоса на уровне - 40 дБ, кГц	Потери, дБ
450	15	30	6

В качестве усилительного прибора для усилителя радиочастоты возьмем малошумящий транзистор 2Т3120А со следующими основными параметрами:

Проектирование структурной схемы.



1. Расчет частотного плана

В разрабатываемом радиоприемном устройстве, перестройка по диапазону будет осуществляться частотой первого гетеродина.

Рис.1 Частотный план

,

При этом частота первого зеркального канала лежит в диапазоне частот: ;

При этом частота второго зеркального канала:

Необходимо обеспечить фильтром преселектора избирательность по побочным каналам (в данном случае это первый и второй зеркальные каналы). Так как избирательность одного фильтра 803-RF412.25M-A: , где - подавление вне основной полосы частот, - потери, что не удовлетворяет техническому заданию (по ТЗ), то необходимо использовать два фильтра AE55239H-220.

При этом избирательность по побочным каналам получается равной:

что полностью соответствует техническому заданию.

Фильтры на первой и второй промежуточных частотах, а именно ФП2П4-10,7М-15К и SFPLA450kE1A-B0 соответственно, должны обеспечивать необходимую избирательность по соседним каналам (по ТЗ ). Для выбранных типов фильтров избирательность получается равной:

Исходя из частотного плана, структурная схема радиоприемника примет следующий вид:

Рис.2 Структурная схема радиоприемника

Где:

А - антенна,

УРЧ - усилитель радиочастоты (малошумящий усилитель),

Ф1,Ф2 - фильтр радиочастоты,

СМ1, СМ2 - смесители частоты,

Г1, Г2 - гетеродины,

Фпч1, Фпч2 - фильтры промежуточных частот,

УПЧ - усилитель промежуточной частоты,

ОА - ограничитель амплитуд,

ЧД - частотный детектор,

ФНЧ - фильтр нижних частот,

УЗЧ - усилитель звуковой частоты.



2. Расчет энергетического плана

Проведем расчет энергетического плана с целью определения - соответствует ли отношение сигнал/шум на выходе приемника ТЗ при выбранной элементной базе.

Отношение сигнал/шум на входе приемника:

где - мощность сигнала на входе приемника, - мощность шума на входе приемника.

где - чувствительность приемника, - сопротивление антенны приемника.

где по формуле Найквиста - полоса пропускания.

,

Коэффициент шума радиоприемника:



Рис.3

Так как основной вклад в шумовые свойства приемника оказывают лишь каскады вплоть до первого смесителя (рис. 2), следовательно, выражение для коэффициента шума радиоприемника можно записать следующим приближенным выражением:

где - коэффициент передачи по мощности соответствующих каскадов, - коэффициенты шума соответствующих каскадов.

Коэффициенты шума и передачи соответствующих каскадов:



где

- мощность на выходе УРЧ, - мощность на входе УРЧ соответственно.

где - напряжение на входе УРЧ,

При чувствительности приемника и при соответствующем коэффициенте передачи входной цепи (Ф1) необходимо, чтобы:

Пусть

где - напряжение на выходе УРЧ,

При чувствительности микросхемы приемника

,

и при соответствующем коэффициенте передачи цепи Ф2 необходимо, чтобы:



,

Пусть

Получаем, что:

,

Тогда коэффициент шума радиоприемника равен:

,

Отношение сигнал/шум на выходе приемника:

Получившийся при вычислении отношение сигнал/шум на выходе приемника полностью соответствует техническому заданию.

3. Расчет усилительных свойств радиоприемника

Определим усилительные свойства разрабатываемого радиоприемника.

Используемая микросхема MC13135 при заданной девиации частоты и при необходимом уровне сигнала на входе, на выходе дает напряжение 0,4 В (при сопротивлении R=39 кОм (рис.6)). Следовательно, необходимо обеспечить необходимый уровень сигнала на входе микросхемы. 

Рис.6

Определим необходимый коэффициент передачи по напряжению УРЧ.

При чувствительности приемника и при соответствующем коэффициенте передачи фильтров напряжение на выходе УРЧ должно быть не менее

При чувствительности микросхемы и при коэффициенте передачи фильтра Ф1: : напряжение на входе УРЧ должно быть не менее

;

следовательно, коэффициент передачи УРЧ по напряжению должен быть не менее:

Расчет усилителя радиочастоты.

Электрическая схема простейшего УРЧ:

Рис.8

4. Расчет УРЧ по постоянному току

Электрическая схема УРЧ по постоянному току:

Рис.9

Обычно, падение напряжения на резисторе составляет примерно 20% от напряжения питания:



Тогда сопротивление резистора равно:

Падение напряжения на базовом делителе равно:

Постоянный ток базы приблизительно равен:

Ток делителя, должен быть, по крайней мере, на порядок больше тока базы :

Тогда сопротивление делителя равно:

Как видно

Сопротивление резистора равно:



Тогда сопротивление резистора равно соответственно:

;

Так как , тогда

,

5. Расчет УРЧ по переменному току

Расчет по переменному току производится с целью определения коэффициента усиления УРЧ по напряжению.

Как известно, коэффициент усиления УРЧ определяется из выражения:

Где - крутизна проходной характеристики транзистора, - эквивалентное резонансное сопротивление контура на выходе транзистора, ,- коэффициенты включения в контур транзистора и нагрузки соответственно.

Схема замещения транзистора по Y - параметрам:

Рис.10



Где - входная проводимость транзистора, - выходная проводимость транзистора, - обратная проводимость транзистора, она мала, поэтому ее влияние можно не учитывать [2].

Определим Y- параметры транзистора:

Физическая эквивалентная схема транзистора имеет следующий вид:

Рис.11

Где - распределенное сопротивление базы, - зарядная емкость эмиттерного перехода, - активная и периферийная емкости коллекторного перехода, - сопротивление эмиттерного перехода, - ток эмиттера (мА), а - коэффициент усиления по току в схеме с ОБ, - активная составляющая выходной проводимости на низкой частоте, - входной ток теоретической модели транзистора.

- полная емкость коллекторного перехода.

Сопротивление эмиттерного перехода:



Активная и полная емкости коллекторного перехода связаны между собой следующим соотношением:

Тогда активная емкость коллекторного перехода оказывается равной:

Распределенное сопротивление базы равно:

Входное сопротивление в схеме с ОБ равно:

где - контактное сопротивление в эмиттерной цепи. Для кремниевых транзисторов им обычно пренебрегают [2].

Частота единичного усиления транзистора:



Тогда граничная частота по крутизне равна:

Коэффициент передачи по току в схеме с ОБ:

После произведенных вычислений, можно определить Y- параметры транзистора:

,

- перевели центральную частоту в рад/с

Входная проводимость - Y11:

Выходная проводимость - Y22:



Крутизна проходной характеристики транзистора - Y21:

,

Определим устойчивый коэффициент усиления транзистора:

Обычно на практике задаются пусть тогда:

,

Рассчитаем резонансные согласующие контуры УРЧ.

Контур на выходе УРЧ:

С точки зрения частотных искажений, должно выполняться следующее условие:

выбираем эквивалентную добротность

Задаемся эквивалентной емкостью контура, которая для диапазона частот 200..1000 МГц лежит в пределах 50..10 пФ. Пусть

При этом индуктивность контура равна:



,

При таком значении индуктивности, катушки изготавливают из посеребренного провода, при этом добротность контурной катушки может быть порядка пусть

Характеристическое сопротивление контура:

Сопротивление нагруженного контура:

,

Рассчитаем коэффициент:

Коэффициент включения со стороны фильтра Ф2:

;

Коэффициент включения со стороны транзистора:



Расчет коэффициента усиления по напряжению:

Контур на входе УРЧ:

Параметры данного контура аналогичны параметрам контура на выходе УРЧ, однако, с другими коэффициентами включения.

Коэффициент включения со стороны транзистора:

Коэффициент включения со стороны фильтра Ф1:



Далее рассчитаем вспомогательные элементы:

Разделительный конденсатор:

,

;

Блокировочный конденсатор:

Обычно, внутреннее сопротивление источника питания лежит в пределах 5-10 Ом, пусть

;

Емкость в цепи эмиттера :

;



Расчет контура частотного детектора.

Рис.12

R=39 (кОм);

f=450 (кГц);

Рассчитаем добротность контура:

При этом эквивалентное сопротивление контура должно быть равное:

Так же должно выполняться условие:

Из данного выражения получается, что:



Найдем параметры контура L и C:

На этом расчет контура частотного детектора закончен.

Определим коэффициент нелинейных искажений радиоприемника:

Приведем график зависимости коэффициента нелинейных искажений в зависимости от девиации частоты:

Рис.13

Из зависимости видно, что при R=39 (кОм) и при девиации частоты равной 2,2 (кГц), коэффициент нелинейных искажений приблизительно равен: радиоприемный каскад частотный детектор

;

Что полностью удовлетворяет техническому заданию ( по ТЗ)

На этом расчет радиоприемника закончен.

Требования к синтезатору частот.

Синтезатор частот должен удовлетворять следующим требованиям:

1. Диапазон генерируемых частот: 422,7-423,2 МГц.

2. Перестройка по частоте с дискретом, не более: 50 кГц.

3. Наличие схемы ФАПЧ.

4. Напряжение питание, не более: 5 В.



Вывод

В данном курсовом проекте был спроектирован радиоприемное устройство связной радиостанции диапазона 412-412,5 МГц. С большим трудом был найден полосовой фильтр 803-RF412.25M-A, обеспечивающий селекцию заданного диапазона. Радиоприемник выполняли на микросхеме MC13135 большой степени интеграции фирмы Motorola. Характеристики полученного устройства полностью удовлетворяют параметрам технического задания. Избирательности полностью удовлетворяют ТЗ (не менее 60 дБ).



Список используемой литературы

1. Сиверс А.П. Проектирование радиоприемных устройств. - М.: Советское радио, 1976.

2. Уточкин Г.В. Интегральные и многотранзисторные каскады избирательных усилителей. - М.: Энергия, 1978.

3. Дежурный И.И. и др. Радиостанции подвижной связи. Справочник // М.: Связь, 1979.

4. Горшелев В.Д., Красноцветова и др. Основы проектирования радиоприемных устройств. 1977.



Приложение

1. MC13135:



2. 803-RF412.25M-A



3. 10G15C:

4. SFPLA450kE1A-B0:

Размещено на Allbest.ru

...