Тема: «Проектирование и расчёт радиотракта частоты»

Обучающегося

гр: 0313-07 РАС

Сергеев Н.О.

ОТЗЫВ

НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

Под радиоприемным устройством понимают часть приемного комплекса, содержащую тракты радиочастоты, промежуточной частоты и демодулятор. Остальную часть, в том числе декодеры, УНЧ и т.д. относят к устройствам обработки. Радиоприемным называется устройство, предназначенное для приема, преобразования и усиления сообщений, передаваемых с помощью электромагнитных волн.

В техническом задании на проектирование обычно указываются электрические, конструктивно-эксплуатационные и производственно-экономические показатели. Нас интересуют только электрические и конструктивно-эксплуатационные показатели. К основным электрическим характеристикам относятся верность воспроизведения сообщения, диапазон рабочих частот, чувствительность, избирательность, динамический диапазон, помехоустойчивость, эффективность регулировок и электромагнитная совместимость.

К конструктивно-эксплуатационным характеристикам относятся масса, габариты, экономичность питания, надежность, ремонтопригодность, эргономические показатели и стабильность характеристик при изменении условий эксплуатации.

В задании на учебное проектирование приводится только некоторая часть этих показателей, остальные дорабатываются студентом в процессе проектирования. Заданные показатели обязательно должны быть выдержаны, желательно с некоторым запасом, учитывающим старение элементов и различия в условиях эксплуатации. Однако значительное превышение качественных показателей недопустимо. Это связано с тем, что улучшение одних характеристик всегда сопровождается ухудшением других.

1. РАДИОПРИЁМНИКИ

1.1 Назначение РПрУ

Современные устройства приёма и обработки сигналов (УПОС) состоят из собственно радиоприемных устройств (РПрУ) и устройств обработки сигналов. Под радиоприемным устройством понимают часть приёмного комплекса, содержащую тракты радиочастоты, промежуточной частоты и демодулятор. Остальную часть, в том числе декодеры, УНЧ и т.д. относят к устройствам обработки. Радиоприемным называется устройство, предназначенное для приема, преобразования и усиления сообщений, передаваемых с помощью электромагнитных волн.

В общем случае РПрУ состоит из приемной антенны, приемника и оконечного устройства.

В антенне (А) под действием электромагнитного поля возникают электрические колебания, которые подаются на вход приемника.

В приемнике происходит выделение нужного сигнала из множества других сигналов. Сигналом называется электрическое отображение сообщения, несущее полезную информацию. Это обычно напряжение или ток, один из параметров которого (амплитуда, частота, фаза и др.) изменяется в зависимости от характера сообщения.

Прием можно разбить на три этапа:

? усиление полезного сигнала;

? обработка принимаемого сигнала с целью уменьшения влияния помех;

? детектирование высокочастотного сигнала для выделения сообщения.

Однако это относительно, так как, например, первый и второй этапы могут выполняться одновременно одним функциональным узлом.

Воспроизводящее устройство (ВУ) регистрирует сообщение. В качестве ВУ может быть громкоговоритель, кинескоп, печатающее устройство (принтер, плоттер, факс) и др. Сообщение может также регистрироваться иными устройствами, с запоминанием нужной информации (АЦП, RAM, магнитная лента, стример и пр.). В настоящее время телевизионное или звуковое сообщение может приниматься ЭВМ, одновременно обрабатываться, записываться, редактироваться и воспроизводиться.

1.2 Классификация РПрУ

Радиоприемники можно классифицировать по ряду признаков, из которых основными являются:

-- назначение приемника;

-- диапазон принимаемых частот;

-- вид принимаемых сигналов;

-- тип структурной схемы;

-- форма выполнения основных операций над сигналом;

-- вид активных элементов, используемых в приемнике;

-- тип конструкции приемника.

По назначению различают приемники связные, радиовещательные, телевизионные, радиолокационные, ретрансляционные и многие другие. Назначение приемника во многом определяет технические решения, выбираемые при проектировании.

Диапазон частот радиосигналов весьма широк: от 3 кГц до 300 ГГц, что соответствует волнам от 100 км до 1 мм. Приемник может быть предназначен для работы на одной или нескольких фиксированных частотах, или в некотором диапазоне частот. От диапазона частот напрямую зависит выбор активных элементов (транзисторов и микросхем) и резонансных систем (с сосредоточенными или распределенными постоянными).

Вид принимаемых сигналов определяется видом модуляции или ее отсутствием. Используются непрерывные, дискретные и цифровые сигналы. В случае непрерывных сигналов применяют амплитудную, частотную или фазовую модуляцию. В случае дискретных сигналов применяют аналогичные виды манипуляции. Радиолокационный импульсный сигнал может быть немодулированным. Кроме простых сигналов, имеющих базу порядка единицы, применяют сложные сигналы, база которых значительно больше единицы по порядку величины. Полоса пропускания главного тракта приемника всегда согласуется с шириной спектра принимаемого сигнала. Способ детектирования определяется видом модуляции.

По типу структурной схемы различают приемники прямого усиления, прямого преобразования и супергетеродинные приемники. Наилучшие качественные показатели обеспечивает применение супергетеродинной схемы. В профессиональных приемниках используют двойное и тройное преобразование частоты.

Основные операции над сигналом могут выполняться в аналоговой, цифровой или цифроаналоговой форме. Усилительно-преобразовательный тракт обычно является аналоговым, демодуляция и последующая обработка сигналов в современных приемниках часто делается цифровой.

В качестве активных элементов широко применяются полевые и биполярные транзисторы и интегральные микросхемы. Элементная база постоянно обновляется.

Конструктивно приемники выполняются на основе печатного или объемного монтажа с использованием интегральных микросхем, представляющих собой каскады, узлы приемников и даже целые приемники.

1.3 Качественные показатели РПрУ

Современные РПрУ характеризуются большим числом показателей и эксплуатационно-технических характеристик. Рассмотрим некоторые из них без учета назначения РПрУ.

Основные показатели РПрУ должны определять меру его пригодности для приема сигналов в условиях действия помех.

К основным показателям относятся:

? Чувствительность.

? Избирательность (частотная селективность).

? Помехоустойчивость, стабильность работы.

? Уровень искажений принимаемых сигналов.

? Динамический диапазон.

? Диапазон принимаемых частот.

? Электромагнитная совместимость.

? Надежность.

? Габариты, вес (особенно актуально на летательных аппаратах).

?Стоимость.

1.3.1 Чувствительность РПрУ

Под чувствительностью понимают способность приемника принимать слабые сигналы. Количественно чувствительность оценивается минимальным уровнем принимаемого сигнала, при котором еще обеспечивается нормальное функционирование исполнительного устройства, при заданном отношении сигнал/шум на выходе приемника.

На умеренно высоких частотах чувствительность оценивается минимальной ЭДС или минимальной напряженностью поля, для более высоких частот ? минимальной мощностью сигнала на входе приемника.

Различают чувствительность, ограниченную усилением (потенциальную), реальную, пороговую, и максимальную (предельную).

Чувствительность, ограниченная усилением, характерна для приемников со сравнительно малым усилением в условиях, когда собственные шумы мало влияют на прием, т.е. она определяется заданной мощностью на выходе.

Реальная чувствительность учитывает влияние собственных шумов. Она определяется как минимальный уровень сигнала на входе, реализующий заданное соотношение сигнал/шум, при котором на выходе РПрУ обеспечивается нормальная мощность (50 мВт для аппаратов с номинальной выходной мощностью более 150 мВт и 5 мВт для аппаратов с номинальной выходной мощностью 150 мВт и менее). Для АМ это -20 дБ, для ЧМ -26 дБ, для ЧМ-стерео - 36 дБ.

Максимальная (пороговая или предельная) чувствительность отличается от реальной тем, что она измерена при соотношении сигнал/шум на выходе детектора 6 дБ).

1.3.2 Частотная селективность

Частотной селективностью называется свойство приемника выделять полезный сигнал из множества других сигналов, отличных по частоте.

Можно говорить, что селективность - это функция, обратная к амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) избирательных цепей приёмника. В полосе приёма, для идеального каскада, коэффициент передачи бесконечен, а за её пределами - равен нулю.

При оценке РПрУ одной из основных оценок является селективность по соседнему каналу. В ДВ-и СВ-диапазонах несущие частоты радиовещательных станций распределены с шагом 9 кГц, а в УКВ - 120 кГц. Селективность по соседнему каналу определяется ФСС УПЧ (для супергетеродинов).

Супергетеродинный приемник помимо селективности по соседнему каналу характеризуется селективностью по побочным каналам и прежде всего на частотах зеркального и прямого канала. Эти виды селективности определяются преселектором.

Если для оценки селективности на вход РПрУ подключают один источник сигнала, то в этом случае говорят об односигнальной селективности, которая определяется только линейными селективными цепями.

В реальных условиях на входе РПрУ присутствует несколько сигналов, которые могут взаимодействовать между собой за счет нелинейности приемного тракта.

Для более точной оценки влияния помех, учитывающей нелинейные эффекты при одновременном действии сигнала и помехи, используют многосигнальные методы измерения селективности (в основном двух или трехсигнальный методы) - таким образом, получают реальную селективность (избирательность).

1.3.3 Искажения принимаемого сигнала

Все искажения сигнала, создаваемые РПрУ, можно разделить на линейные и нелинейные.

Линейными искажениями является неточность в передаче соотношений между различными спектральными составляющими сигнала. Степень линейных искажений оценивается по частотным характеристикам отдельных каскадов и всего тракта РПрУ.

Частотная характеристика приемника по всему тракту называется кривой верности или верностью воспроизведения.

Нелинейными искажениями принимаемого сигнала называют эффект появления в выходном сигнале спектральных составляющих, отсутствующих во входном сигнале. Для РПрУ под входным сигналом следует понимать низкочастотное модулирующее напряжение.

Ряд параметров оценивают степень нелинейных искажений в режиме приема стереофонических сигналов. Сюда относятся переходные затухания, подавление надтональных частот и их комбинаций со звуковыми частотами.

Кроме того, к нелинейным искажениям следует отнести фон сети, генерацию и микрофонный эффект. Их уменьшают различными схемотехническими решениями (для уменьшения фона сети - стабилизаторы питания, для подавления микрофонного эффекта - незначительное, на несколько Гц, изменение частоты сигнала, принятого микрофоном).

1.4 Виды радиприёмников

Различают два вида радиоприемников: прямого усиления и супергетеродинные. Появившиеся первыми приемники прямого усиления уступили супергетеродинным почти во всех радиодиапазонах, за исключением сверхвысоких частот. Такая тенденция объясняется более высокой селективностью и чувствительностью супергетеродинного радиоприемника по сравнению с приемником прямого усиления.

В приемниках прямого усиления сигнал на входе приемника (выходе антенны) селектируется и усиливается без изменения его частоты. Качество информации, снимаемой с этого сигнала, тем ниже, чем меньше уровень помех (сигналов различной природы с частотами, близкими частоте настройки приемника). В идеале цепи селекции должны обеспечивать П-образную форму с полосой пропускания, равной ширине спектра принимаемого сигнала.

Сложность проблемы обеспечения избирательности в радиоприемниках прямого усиления обусловлена техническими трудностями создания одновременно перестраиваемых по частоте узкополосных фильтров с высокими показателями по селективности, в особенности при их промышленном производстве.

В супергетеродинном приемнике проблема одновременного обеспечения высоких значений чувствительности и селективности решена путем преобразования принимаемого высокочастотного сигнала после его предварительной селекции и усиления в усилителе высокой частоты в сигнал постоянной частоты, называемой промежуточной частотой.

1.4.1 Супергетеродинный приёмник

Основной принцип работы супергетеродинных радиоприемных устройств состоит в переносе спектра, принимаемого радиосигнала из одной области радиочастот в другую. Этим достигается возможность физической реализуемости избирательности и усиления принимаемого полезного сигнала на разностной частоте, образованной за счет биений между частотой гетеродина (отдельного генератора) и принимаемого сигнала.

Рисунок 1 ? Структурная схема супергетеродинного устройства приема и обработки сигналов с одним преобразованием частоты

Перенос спектра радиосигнала в диапазон новых промежуточных частот осуществляется преобразователем частоты c помощью дополнительного местного гетеродина. Основным требованием к преобразователям частоты является линейность его передаточной характеристики, чтобы не было искажений огибающей высокочастотного сигнала. Супергетеродинные устройства обладают высокой чувствительностью и селективностью, поскольку основное усиление осуществляется на промежуточной частоте. В состав супергетеродинного радиоприемника входят: преселектор, смеситель (СМ), гетеродин (Г), усилитель промежуточной частоты (УПЧ), детектор и усилитель низкой частоты.

Радиосигнал из антенны подается на вход усилителя высокой частоты (в упрощённом варианте он может и отсутствовать), а затем на вход смесителя - специального элемента с двумя входами, 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 усилителя высокой частоты) обычно конденсатором переменной ёмкости, реже катушкой переменной индуктивности (вариометром, ферровариометром). Таким образом, на выходе смесителя образуются сигналы с частотой, равной сумме и разности частот гетеродина и принимаемой радиостанции. Разностный сигнал постоянной промежуточной частоты выделяется с помощью фильтра сосредоточенной селекции, и усиливается одним или несколькими каскадами, после чего поступает на демодулятор, восстанавливающий сигнал низкой (звуковой) частоты.

Поскольку сигнал несет в себе полезную информацию, в процессе преоб-разования частоты эту информацию необходимо сохранять, т. е. преобразова-тель частоты для сигнала должен быть линейным устройством. Таким обра-зом, в процессе преобразования частоты происходит перенос спектра сигнала в область промежуточной частоты без нарушения амплитудных и фазовых соотношений его составляющих. Резонансные контуры каскадов УПЧ на-страиваются на промежуточную частоту.

При перестройке колебательных систем преселектора одновременно изменяется, и частота гетеродина таким образом, чтобы промежуточная частота оставалась постоянной. Поскольку УПЧ не перестраивается по частоте, то это позволяет получить в супергетеродинном приемнике высокую частотную избирательность при неизменной полосе пропускания, а также реализовать оптимальную фильтрацию сигнала от помех, применяя согласованные фильт-ры на промежуточной частоте. Таким образом, в супергетеродинном прием-нике устраняются основные недостатки приемника прямого усиления.

1.4.2 Вывод

1. В радиотракте супергетеродинного приемника помимо усиления происходит преобразование частоты принимаемого сигнала.

2. При любой частоте принимаемого сигнала частота гетеродина такова, что промежуточная частота всегда приблизительно постоянна. Это существенно упрощает систему настройки и технологию изготовления приемника.

3. Результирующая АЧХ радиотракта приемника определяется в основном АЧХ селективных цепей тракта промежуточной частоты.

4. Основные недостатки супергетеродинного приемника - наличие побочных каналов приема и паразитного излучения с частотой гетеродина.

2. РАДИОПРИЁМНИКИ. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Расчет структурной схемы радиоприемника

Вариант 2

Воспользуемся способом с одинаковым коэффициентом перекрытия для всех поддиапазонов.

Коэффициент перекрытия всего диапазона:

где: К_Д ? коэффициент перекрытия диапазона;

f_max и f_min ? соответственно максимальная и минимальная частоты диапазона приемника.

В таблице 1 даны средние ориентировочные значения коэффициента перекрытия поддиапазона (коэффициент перекрытия поддиапазонов -табличный).

Таблица 1