"Формирование и генерирование сигналов в цифровой радиосвязи"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования "Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники"

Факультет инновационного непрерывного образования

Кафедра информационных радиотехнологий

Контрольная работа

по учебной дисциплине "Формирование и генерирование сигналов в цифровой радиосвязи"

Выполнил: Паливода М.И.

Проверил: Титович Н.А.

Минск, 2020

Основные этапы развития теории и техники РПдУ.

Развитие любой отрасли науки и всей науки в целом является следствием развития общественного производства. В зависимости от потребностей развивающегося общественного производства шло развитие и радиопередающих устройств, изменялись их принципы построения и схемные решения, осваивались новые диапазоны волн.

По принципам построения передатчика и типам применяемых в нем элементов (прежде всего генераторов) историю развития радиопередающих устройств можно ориентировочно разделить на 4 этапа, каждый из которых охватывает характерный период в развитии теории и техники генерирования и модуляции.

Первый этап (1896-1917) включает в себя создание искровых радиопередатчиков, использующих машинные генераторы высокой частоты. Начало развития техники радиопередающих устройств относиться к 1896 г., когда А.С. Попову удалось передать первую радиограмму на расстояние 250 м.

В указанный период времени можно выделись три типа радиопередатчиков: искровые, дуговые и машинные.

Первый искровой передатчик был создан А.С. Поповым в 1895 г. Год спустя он был применен для публичной демонстрации первой в истории передачи телеграммы по радио.

Рис. 1. Структурная схема радиопередатчика А.С. Попова: источник питания, ключ, высоковольтная катушка, разрядник, антенна.

Процесс излучения энергии происходит в передатчике не прерывно. Каждой пробой искрового промежутка в антенне приводит к возникновению быстрозатухающих колебаний (антенный контур имеет малую добротность). При этом антенна служит не только элементом, излучающим электромагнитную энергию, но и элементом, определяющим частоту радиочастотных колебаний [1].

Недостатками искрового радиопередатчика являются:

- широкий спектр излучения;

- низкая частота излучения;

- импульсный характер излучения.

Во втором десятке XX века для генерации колебаний высокой частоты начали широко использоваться устройства, основанные на применении и других принципов. Так были получены незатухающие радиочастотные (РЧ) колебания в резонансном контуре, присоединенном параллельно к вольтовой дуге, так называемые дуговые радиопередатчики (рис.2).

Рис.2. Структурная схема дугового радиопередатчика.

В указанных передатчиках использовалось наличие падающего участка вольт - амперной характеристики дуги, соответствующего отрицательному сопротивлению. Это сопротивление компенсирует в контуре генератора сопротивление потерь, в результате чего в нем возникают незатухающие колебания [1].

Достоинством такого передатчика является излучение непрерывных колебаний. К недостаткам отнесем: низкий КПД, малая надёжность, низкая частота излучения.

Незатухающие колебания генерировались также с помощью электромашин высокой частоты - так называемые машинные передатчики.

Машинные (как и дуговые) передатчики имели ряд недостатков:

- сложность генерирования, усиления и управления радиочастотными колебаниями в широком диапазоне частот и мощностей;

- низкая стабильность частоты;

- сложность проектирования и изготовления и т.д.

К достоинствам отнесём - высокий КПД, более 90%.

Второй этап (ориентировочно 1917-1938гг.) в развитии РПдУ связан с появлением ламповых передатчиков. Первые отечественные генераторные лампы были созданы в 1914 году Н.Д. Папаклекси для передатчика в Царском Селе. В развитии и распространении ламповых передатчиков большую роль сыграла Нижегородская радиолаборатория, организованная в 1918 году. Там под руководством Бонч - Бруевича была создана мощная генераторная лампа с внешним анодом и водяным охлаждением. Мощность, отдаваемая лампой, доходила до 950 Вт. В дальнейшем в Нижегородской лаборатории были разработаны усовершенствованные генераторы и модулярные лампы мощностью 25 и 40 кВт. На основе этих ламп руководством М.А. Бонч-Бруевича была построена радиостанция имени Комитерна (малый Коментерн) мощностью 12 кВт, а в 1925 году - радиостанция мощностью 40 кВт [1]. передатчик ламповый дуговой

Ламповые радиопередатчики, мощность которых непрерывно наращивалась, достигнув нескольких сотен киловатт, полностью вытеснили искровые. Так в Москве под руководством А.Л. Минца в 1929 г. была построена радиовещательная станция в диапазоне длинных волн мощностью 100 кВт, в 1933 г. - 500 кВт, в 1943 г. -1200 кВт.

Одновременно развивались теория и методы инженерного расчёта ламповых передатчиков. В развитие теории существенный вклад внесли работы М.В. Шулейкина, А.И. Берга и А.Л. Минца [2].

Уже в 30-х годах и особенно в 40-е годы началось интенсивное освоение метрового, дециметрового и сантиметрового диапазонов волн. Именно благодаря использованию этих диапазонов удалось осуществить высококачественную передачу телевизионных изображений, внедрить в практику модуляцию, широко использовать для передачи сообщений радиорелейные линии связи. Освоение новых диапазонов потребовало создания новых электронных приборов для усиления и генерирования высокочастотных (ВЧ) и сверхвысокочастотных (СВЧ) колебаний. В частности, были разработаны магнетроны, многорезонаторные пролетные клистроны, лампы бегущей волны, платинотроны [1].

Третий этап (с 1938 г. по настоящее время) связан, в первую очередь, с телевидением и радиолокацией, развитие которых требовало освоения все более высоких частот - перехода к дециметровым и сантиметровым волнам. Обычные электровакуумные приборы не справлялись с этой задачей: с их помощью можно было генерировать и усиливать колебания коротковолнового диапазона, т.е. метрового диапазона волн. Поэтому появилась настоятельная необходимость в разработке принципиально новых приборов, работающих в СВЧ диапазоне. Такие приборы - магнетроны, клистроны, лампы бегущей волны, в которых электронный поток взаимодействует с электромагнитной системой распределённого типа, - были разработаны, что и позволило создавать СВЧ радиопередатчики. Мощность этих приборов непрерывно возрастала, достигнув нескольких киловатт в непрерывном режиме и мегаватт - в импульсном. Среди российских ученых у истоков этого направления стояли создатели новых типов СВЧ электронных приборов: Н.В. Алексеев, Д.Е. Маляров, В.Ф. Коваленко и др.

Четвёртый этап (с 1960 г. по настоящее) связан с созданием мощных ВЧ и СВЧ транзисторов. Первый транзистор, за который американским ученым Шокли, Бардину и Брайтену в 1956 г. присудили Нобелевскую премию по физике, был сделан в 1950 г. Однако первые транзисторы имели ограничения, как по частоте, так и по мощности. Только с созданием многоэмиттерных полупроводниковых структур оба ограничения были преодолены и появились возможностью в несколько десятков и даже сотен ватт, в том числе и в СВЧ диапазоне [1].

В настоящее время усилия как наших, так и зарубежных ученых направлены на улучшение энергетических соотношений и повышение стабильности частоты передатчиков, расширение полосы пропускания мощных усилительных приборов и увеличение пределов электронной перестройки частоты автогенераторов СВЧ.

Эквивалентная схема и векторная диаграмма, характеризующие работу БТ в инерционном режиме.

Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с двумя n-p-переходами, образованными слоями полупроводникового материала n-p-n или p-n-p-типа. Он имеет три или более выводов, изготавливается на основе германия или кремния, обеспечивает усиление мощности электрических сигналов.

Известно несколько моделей биполярных ВЧ транзисторов, основное различие между которыми связано со способом описания параметров эквивалентного генератора тока, отражающего усилительные свойства транзистора. Среди них чаще всего применяются модель Эберса-Молла и ее модификации, модель Джиаколетто, зарядовая модель, при которой ток эквивалентного генератора определяется зарядом неосновных носителей, накопленных в области базы. Последняя заслуживает внимания, так как не только хорошо описывает действие различных нелинейных эффектов, свойственных полупроводниковому прибору, но и позволяет также рассмотреть полевой транзистор, как прибор управляемый зарядом, что дает возможность разработать единую теорию транзисторного ГВВ, относящуюся к обоим типам приборов.

Рис.3. Эквивалентная схема биполярного n-p-n транзистора.

Частотные свойства биполярных транзисторов оценивают граничными частотами. При расчетах будем использовать следующие частоты: - частота, на которой модуль коэффициента усиления тока в динамическом режиме |в| уменьшается в раз по сравнению со статическим коэффициентом для схемы с ОЭ; - предельная частота работы транзистора, на которой |в| =1; - частота, на которой модуль коэффициента передачи тока в динамическом режиме |б| уменьшается в раз по сравнению со статическим коэффициентом (схема с ОБ).

При расчетах удобно учитывать, что отдельные параметры биполярного транзистора связаны следующими соотношениями:

где - крутизна входной статической характеристики;

где ;

На повышенных частотах () проявляется инерционность транзистора, связанная с конечным временем пролета носителей заряда через базу. При открытом эмиттерном переходе последний может быть представлен параллельным соединением сопротивления рекомбинации и диффузионной ёмкости, которая в этом случае значительно превышает барьерную емкость . В закрытом состоянии эмиттерного перехода сопротивление стремится к бесконечности, ёмкость исчезает и главную роль играет барьерная емкость. Эквивалентная схема эмиттерного перехода представляет соединение и . Упрошенные эквивалентные схемы биполярного транзистора в открытом (а) и закрытом (б) состоянии изображены на рис.4.

Рис.4. Упрощенные эквивалентные схемы БТ на повышенных частотах при открытом (а) и закрытом (б) эмиттерном переходе.

Посмотрим, к чему приведёт учёт инерционности транзистора. Как видно из рисунка

.

Рис.5. Векторные диаграммы, поясняющие процесс в БТ на повышенных частотах.

Из векторной диаграммы следует, что при открытом эмиттерном переходе совместное влияние и вызывает появление фазового сдвига между напряжениями и , а, следовательно, отставание от напряжения на базе . зависит от частоты усиливаемых колебаний, т.е. зависимость и уже не определяется статической проходной ВАХ транзистора. Она становится неоднозначной, зависимой от частоты. В результате на повышенных частотах проходная статическая ВАХ для расчета работы транзистора неприменима.

Сравнение эквивалентных схем БТ на низких и повышенных частотах показывает, что если на низких частотах коэффициент передачи от входа транзистора к эмиттерному переходу от частоты не зависит, то на повышенных частотах, где становится комплексной величиной, модуль падает с ростом . В соответствии с

является функцией напряжения на эмиттерном переходе . При постоянной амплитуде напряжения (или мощности входного сигнала ) инерционность БТ приводит к уменьшению амплитуды , а следовательно и амплитуды коллекторного тока Iк 1 . Так как величина определяет выходную мощность ГВВ , электронный КПД и коэффициент усиления по мощности , то с ростом частоты основные энергетические параметры ГВВ (УМ) уменьшаются. Следует учесть, что длительности переходных процессов при открывании и закрывании эмиттерного перехода БТ различны. В результате при работе АЭ в режиме с отсечкой выходного тока форма импульса становится отличной от косинусоидальной (искажается), ток отстает по фазе от напряжения .

Таким образом, приведенная выше методика расчета параметров ГВВ на БТ, работающего в безынерционном режиме, на повышенных частотах не применима. Эту методику можно использовать, если применить частотную коррекцию характеристик маломощного БТ на ВЧ.

Мостовые схемы сложения мощностей N ГВВ.

В РПдУ различных диапазонов частот широкое распространение получили мостовые схемы сложения мощностей отдельных генераторов. В этом случае важно обеспечивать взаимную электрическую развязку ГВВ таким образом, чтобы каждый из них работал независимо друг от друга, в то время как режимы остальных могут меняться вплоть до отказа АЭ или короткого замыкания. Только так можно обеспечить надежную работу передатчика. Выход из строя одного ГВВ не изменяет режима работы других. Поэтому часто, даже если можно выполнить выходной каскад передатчика на одном АЭ, его строят на нескольких менее мощных элементах и суммируют их мощности с применением мостовой схемы [2].

Классическая мостовая схема суммирования мощностей двух синфазных генераторов приведена на рис.6. Она содержит четыре резистивных нагрузочных сопротивления. При / = / выполняется условие баланса моста, т. е. напряжение одного генератора не поступает на выход другого и оба генератора работают независимо друг от друга. При равенстве всех сопротивлений ====R генераторы нагружены на сопротивления ZВХ 1=R и =R. Токи обоих генераторов =/ и =/ суммируются в двух нагрузочных сопротивлениях = и вычитаются в двух балластных сопротивлениях =. [3]

Мощности, выделяемые в нагрузочных и балластных сопротивлениях можно записать как

Рис.6. Классическая мостовая схема мощностей двух генераторов.

Если , то вся мощность поступает в нагрузку. В случае неравенства токов КПД моста уменьшается и определяется как

где ; ц - фазовый сдвиг между токами двух генераторов.

Исследования показали, что даже при различии амплитуд токов на 20%, а их фаз на 40% значение уменьшается до 0,87 от максимального. В аварийном режиме, когда происходит отказ одного из генераторов, наблюдается наихудший случай - КПД уменьшается до 0,5, а мощность в нагрузке в 4 раза.

В общем случае, если требуется сложить мощности N одинаковых генераторов с мощностью , то суммарная номинальная мощность в нагрузке будет равна

Допустим, что в аварийном режиме M генераторов вышли из строя. В этом случае мощность в нагрузке будет определяться не как

, а как

Это объясняется тем, что

о мощности оставшихся (N-M) генераторов начинают выделяться в балластных сопротивлениях.

На рис.7 представлены схемы сложения мощностей N идентичных генераторов. Они также выполнена на магнитных трансформаторах 1:1. В первой схеме (рис.7, а), как и в схеме для двух генераторов сложение осуществляется по напряжению. Суммарное напряжение на нагрузке и сопротивление нагрузки определяются соответственно как и . Балластные сопротивления включены по схеме многолучевой звезды. Повышение нагрузочного сопротивления до величины очень важно при сложении мощностей низкоомных транзисторных генераторов. В тоже время продольные напряжения на линиях Л 1...ЛN неодинаковы. Наибольшее напряжение на первой линии , дальше оно уменьшается и равно нулю на последней линии. Поэтому последнюю линию называют фазокомпенсирующей и устанавливают без феррита. Индуктивность первой линии должна быть наибольшей, чтобы ее ток

=/

бы малым. С ростом надо увеличивать объем феррита, либо длину и число витков линии, чтобы магнитная индукция в феррите не превышала допустимое значение. Однако при различной длине линий фазовые сдвиги в них тоже будут различными, что может привести к снижению модуля коэффициента трансформации. Поэтому обычно используют не более трех-пяти линий с коэффициентом трансформации близким к единице.

Рис.7. Мостовые схемы сложения мощностей N генераторов: а - по напряжению, б - по току.

В мостовых схемах сложения мощностей по току (рис. 7, б) продольные напряжения на линиях отсутствуют и появляются только малой величине при не идентичности генераторов или при выходе одного из них из строя. Это снижает требования к ферритовым сердечникам. Главным недостатком такой схемы является снижение нагрузочного сопротивления

.

Принципиальная схема транзисторного АГ с трансформаторной обратной связью. Основные параметры и сравнительные характеристики.

Автогенератор (АГ) - генератор, вырабатывающий колебания с заданными параметрами без воздействия возбуждающего колебания, т.е. самостоятельно, автономно.

Автогенераторы (АГ) находят широкое применение в радиолокационной и радионавигационной аппаратуре, в устройствах вычислительной техники, систем связи, радиовещания и телевидения, в измерительных приборах и т. д. Одним из основных требований, предъявляемых к АГ, является обеспечение высокой стабильности частоты генерируемых колебаний, определяющей точность и разрешающую способность радиолокационных и радионавигационных систем, погрешность измерений в устройствах измерительной техники, качественные характеристики и надежность систем связи, радиовещания и телевидения [4].

Рассмотрим упрощенную схему транзисторного автогенератора гармонических колебаний с трансформаторной обратной связью (рис. 8).

Рис. 8. Автогенератор с трансформаторной обратной связью

Назначение элементов схемы:

транзистор VT p-n-p типа, выполняет роль усилительного нелинейного элемента;

колебательный контур LKCKGЭ задает частоту колебаний генератора и обеспечивает их гармоническую форму, вещественная проводимость GЭ характеризует потери энергии в самом контуре и во внешней нагрузке, связанной с контуром;

катушка LБ обеспечивает положительную обратную связь между коллекторной (выходной) и базовой (входной) цепями, она индуктивно связана с катушкой контура LК (коэффициент взаимоиндукции М);

источники питания ЕБ и ЕК обеспечивают необходимые постоянные напряжения на переходах транзистора для обеспечения активного режима его работы;

конденсатор СР разделяет генератор и его нагрузку по постоянному току;

блокировочные конденсаторы СБ 1 и СБ 2 шунтируют источники питания по переменному току, исключая бесполезные потери энергии на их внутренних сопротивлениях.

Физические процессы в генераторе.

При подключении источников питания ЕБ и ЕК эмиттерный переход смещается в прямом направлении и возникает коллекторный ток iК(t), который в начале замыкается от + ЕК через эмиттер - базу - коллектор транзистора и емкость СК на - ЕК, поскольку емкость для перепада тока представляет собой короткое замыкание. Конденсатор СК заряжается, а затем начинает разряжаться через элементы контура LKGЭ и в контуре возникают свободные колебания. Колебательный ток, проходя через LК, создает ЭДС взаимоиндукции в катушке LБ. Эта ЭДС прикладывается к эмиттерному переходу транзистора через емкость СБ 1 и управляет токами базы и коллектора. Переменная составляющая коллекторного тока, протекающая по цепи: коллектор, контур LKCKGЭ, эмиттер, база, коллектор, восполняет потери энергии в контуре и, если выполнены условия самовозбуждения, то колебания в нем будут нарастать по амплитуде. Первое условие самовозбуждения называется фазовым и оно достигается тем, что катушка LБ включается встречно катушке LК. В этом случае напряжение на базе UБЭ будет изменяться в противофазе с напряжением на коллекторе (соответственно, и с напряжением на контуре UК) и выходная проводимость транзистора окажется отрицательной. Это означает, что транзистор является источником энергии по переменному току. Но одного фазового условия недостаточно, необходимо еще выполнение амплитудного условия самовозбуждения, т. е. чтобы энергия W(+), поступающая в контур от транзистора, превышала потери энергии W(-) на проводимости GЭ. Практически это достигается выбором М > МКР, где МКР - величина М, при которой выполняется равенство W(+) = W(-). Частота генерируемых колебаний примерно равна резонансной частоте контура

поскольку при Q " 1, величина коэффициента затухания

Достоинства схемы: возможность плавной, независимой регулировки частоты (путем изменения СК) и амплитуды (путем изменения М) колебаний.

Недостаток схемы заключается в том, что на высоких частотах затруднена регулировка амплитуды колебаний из-за влияния паразитной емкости между катушками LK и LБ, поэтому генераторы с трансформаторной обратной связью применяются в диапазонах длинных и средних волн (ДВ и СВ) [2].

Осцилляторные схемы кварцевых генераторов. Принципы построения фильтровых схем кварцевых генераторов.

Схемы автогенераторов, в которых кварц выполняет роль одной из индуктивностей, называют "осцилляторными".

В осцилляторных схемах кварц включается либо между коллектором и базой (емкостная трехточка, рис. 9, б), либо между эмиттером и базой или эмиттером и коллектором (индуктивная трехточка, рис. 9, а и в).

Рис.9. Эквивалентные трехточечные схемы кварцевого автогенератора: а и в - индуктивные; б - емкостная.

Во всех приведенных схемах автогенераторов, как уже указывалось, кварцевый резонатор играет роль индуктивности. На практике чаще всего используется схема емкостной трехточки. Эта схема отличается конструктивной простатой (не требует дополнительных индуктивностей) и легкостью настройки [3].

Как всякая механическая система, кварц резонирует на гармониках основной частоты. При работе кварца на механических гармониках несколько усложняют схему емкостной трехточки, включая параллельно емкости , индуктивность (показано на рис. 9, б штриховой линией). Резонансная частота контура выбирается таким образом, чтобы она была ниже рабочей частоты, но выше частоты ближайшей низкой нечетной механической гармоники. Тогда на рабочей частоте контур эквивалентен емкости и автогенератор представляет собой обычную трехточечную схему. На более же низкой механической гармонике кварца контур эквивалентен индуктивности и автогенератор не возбуждается, так как не выполняются фазовые соотношения. Для выбора нужной гармоники в схему автогенератора вводят селективный элемент, роль которого выполняет параллельный колебательный контур. Схема кварцевого автогенератора, работающего на гармониках кварца, внешне не отличается от схемы емкостной трехточки [3].

Для емкостной трехточечной схемы с кварцем условия баланса фаз (рис.10) в предположении, что , может быть записано в следующей форме: = 0. Тогда,

где - частота автогенератора;

,

Эквивалентное реактивное сопротивление кварца определяется соотношением:

.

Рис.10. Частотные характеристики кварцевого резонатора.

Из графического решение уравнения, описанного выше, показанного на рис. 11, следует, что имеются две точки пересечения кривой - () с кривой . Частота соответствует точке пересечения A, а частота * -точке пересечения Б. На частоте активное сопротивление кварца rкв значительно меньше, чем на частоте *, и, следовательно, условия баланса амплитуд (9) будет выполняться на этой частоте. Если пренебречь потерями в кварцевом резонаторе , то частоту автоколебаний можно найти решив уравнение:

В емкостной трехточечной схеме, изображенной на рис. 11а, колебательная система образована емкостями , и кварцевой пластиной, выполняющую роль индуктивности. Резисторы и образуют делитель напряжения для подачи постоянного смещения на базу транзистора, - резистор автоматического смещения, , и - блокировочные элементы, конденсатор - обеспечивает оптимальную связь с нагрузкой. Так как в схеме отсутствует цепочка частотной коррекции, то для исключения влияния инерционности транзистора на стабильность частоты его следует выбирать из условия > 2, где - частота генерации АГ [3].

На рис. 11 б изображена принципиальная схема АГ, предназначенная для возбуждения колебаний на механической гармонике кварца. С помощью конденсатора обеспечивается точная настройка на требуемую частоту. Для упрощения конструкции при использовании подстроечного с заземленным корпусом коллектор транзистора заземлен по высокой частоте. В этом случае блокировочный конденсатор в цепи питания можно не ставить. Колебательная система, образованная индуктивностью L и емкостями , , препятствует возбуждению колебания на более низких гармониках кварца. Цепочка служит для коррекции частотных характеристик БТ [3].

Рис. 11. Принципиальные электрические схемы кварцевых автогенераторов на биполярных транзисторах.

Список использованных источников

1. Радиопередающие устройства: учебник для вузов / В.В. Шахгильдян [и др.]; под ред. В.В. Шахгильдяна. - 3-е изд. - Москва: Радио и связь, 2003 - С.156-157.

2. Автогенератор / [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://studfile.net/preview/1869553/page:34/. Дата доступа: 30.03.2020.

3. Электронный ресурс по учебной дисциплине Формирование и генерирование сигналов в цифровой радиосвязи // Минск БГУИР .

4. Петров, Б.Е. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах / Б.Е. Петров, В.А. Романюк. - Москва: Высш шк., 1989. -232 с.

Размещено на Allbest.ru