Формирование и генерирование сигналов в цифровой радиосвязи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»

Факультет радиотехники и электроники

Кафедра информационных радиотехнологий

Контрольная работа

«Формирование и генерирование сигналов в цифровой радиосвязи»

Проверил: Титович Н.А.

Минск, 2022



Основные этапы развития теории и техники РпдУ

Существует четыре этапа в развитии РПДУ:

1 Этап Начало:1896 г. конеч.1921 г.

3 типа радиопередатчиков:

а) Искровые радиопередатчики.

Недостатки:

1)Широкий спектр излучения.

2)Низкая частота излучения.

3)Импульсный характер излучения.

б) Дуговой радиопередатчик. Использовалось горение дуги.

Дуга имеет N-образную хар-ку. Сопр. активное дуги оказывается меньше 0. Из теории двухполюсника известно, что при отрицательном активном сопротивлении в его цепи возникают автоколебания.

Достоинства:

1) Излучение непрерывных колебаний.

Недостатки:

1) Низкий КПД.

2) Малая надежность.

3) Низкая частота излучения.

в) Машинные радиопередатчики. В качестве источника ВЧ колебания использовался генератор переменного тока.

Недостатки:

1) Ограничена частота излучения max 50-60 кГц

Достоинства:

1) Высокий КПД больше 90%.

2 этап: 1921-1940.

Созданы ламповые передатчики. Бонч-Бруевич.

1) Лампы позволили резко увеличить частоту колебаний.

2) Передатчики имели большую частоту спектра.

Чем меньше частота спектра, тем больше дальность радиосвязи.

1) Большая дальность радиосвязи.

2) Низкий уровень помех.

Шулейкин - разработал теорию усилителей и генераторов СВЧ.

Минц - разработал теорию суммирования колебаний.

3 этап. 40-е годы 20-го столетия

Этап появления СВЧ радиопередатчиков.

Магнетрон, лампа бегущей волны, лампа обратной волны.

4 этап: 1965 г.

Этап связанный с появлением транзисторных радиопередатчиков.

1) Транзисторы имеют ограниченную мощность.

2) Величина мощности транзисторов уменьшается с ростом частоты. Назначение РПДУ. Генерирование.Формирование.Усиление.

Структурная схема

Автогенератор служит для создания незатухающих колебаний (возбудитель частоты). Усилитель - усиливает амплитуду ВЧ сигнала. Умножитель - служит для увеличения частоты колебаний.

Модулятор осуществляет изменение передаваемого сигнала под действием модулирующего.

Выходной каскад всегда самый мощный.

Именно его КПД определяет потребляемую мощность всего передатчика. Он должен иметь max КПД.



Показать какой режим работы ГВВ является оптимальным с точки зрения получения колебательной мощности и КПД

В ГВВ с избирательными цепями согласования можно реализовать три возможных режима работы: недонапряженный, критический и перенапряженный. Если напряжение источников питания, смещения и амплитуды возбуждения неизменно, то требуемый режим работы ГВВ достигается подбором нагрузки Rэ по выходному электроду.

Режим работы характеризуется напряженностью, а напряженность - той точкой ВАХ, в которой формируется вершина импульса коллекторного тока. На графике это точка А графическое пояснение:



Рис.. Динамические характеристики в недонапряженном (1), критическом (2) и перенапряженном режимах (3).

Если А находится в активной области статических ВАХ, то такой режим называется недонапряженным. В этом случае форма коллекторного импульса будет неискаженной (в этом режиме Rk, как правило, мало), но и амплитуда, прямо пропорциональная Rк, невелика.

Если А находится на линии критического режима, то режим - критический (граничный). Амплитуда коллекторного тока слегка уменьшается, вершина уплощается.

Если А находится на ЛКР, но низко, то режим - перенапряженный, появляется провал в вершине импульса в тот момент, когда коллекторный переход открыт внешним воздействием.

Ясно, что по форме импульсов можно судить о режиме работы ГВВ.

Чтобы найти оптимальное сопротивление нагрузки. Подбор можем осуществлять, меняя резонансное сопротивление колебательного контура:

где r(0)- собственное сопротивление контура,

r(вн)- вносимое сопротивление, меняется подбором связи с нагрузкой:

Qн- добротность нагруженного контура.

Таким образом, меняя связь между катушками, можно менять R(К).

Рис. Динамические характеристики для отсечки в недонапряженном режиме

Рис. Нагрузочные характеристики для отсечки

Рис. Мощностные нагрузочные характеристики для отсечки

Из всех рисунков видно, что в граничном режиме полезная мощность максимальна. Следовательно, такой режим является оптимальным для ГВВ, а называется оптимальным. Очевидно, что существует и оптимальная связь между контуром и нагрузкой.

Варакторные УЧ. Особенности работы УЧ с закрытым и частично открытым p-n-переходом

УЧ можно разделить на два класса: 1) на нелинейных активных приборах (транзисторные); 2) на нелинейных пассивных приборах (варакторные). Как отмечалось выше, транзисторные УЧ являются генераторами с внешним возбуждением. Они отличаются от ГВВ только тем, что их выходные колебательные системы настроены на n-ю гармонику, а режим работы транзистора выбран таким, чтобы получить максимальную мощность и КПД УЧ.

Транзисторные УЧ работают на частотах до единиц ГГц. На более высоких частотах используются умножители на специальных СВЧ диодахварикапах, называемых варакторами.

Рис. Эквивалентная схема варакторного УЧ.

УЧ состоит из входного полосового фильтра Ф1 с центральной частотой щ, варактора VD, выходного полосового фильтра Ф2 с центральной частотой nщ. На вход Ф1 от генератора Г (или предварительного каскада) подаются колебания с частотой щ и мощностью Pвх. Выходная мощность Pвых = Pn рассеивается на нагрузке. Полосы фильтров Ф1 и Ф2 не перекрываются.

Варактор

Рис. Эквивалентная схема варактора (а) и зависимости его емкостей от напряжения (б).

Схема варактора содержит индуктивность выводов Ls, резисторы Rs - сопротивление материала полупроводника, RR - дифференциальное сопротивление p-nперехода, Сб - барьерную емкость закрытого диода, Сдиф - диффузионную емкость открытого диода. Зависимости Сб и Сдиф от мгновенного напряжения на варакторе приведены на рис. а б. Различают два режима работы варикапа:

1) варикап закрыт даже при максимальных значениях напряжения на нем;

2) варикап открыт на части периода входного колебания. В первом случае в процессе преобразования колебаний участвует только нелинейная барьерная емкость. Гармонический ток с частотой щ, протекающий через диод, создает на нем негармоническое напряжение, вследствие чего возникает негармонический ток с частотой nщ. Происходит преобразование колебаний с одной частотой щ в колебания с другой частоты nщ. Во втором случае, когда переход часть периода входного колебания открыт, т.е. варактор работает с отсечкой, в цепи смещения появляется постоянный ток - результат работы диода, как выпрямителя. Из рис.б видно, что барьерная емкость закрытого перехода при изменении напряжения uв меняется незначительно в сравнении с диффузионной емкостью. Поэтому режим варактора с полностью закрытым p-n-переходом используется реже, чаще на частотах выше 10 ГГц в удвоителях и утроителях частоты. На более низких частотах в УЧ большей кратности используется режим с отпиранием p-n-перехода, когда к барьерной емкости добавляется диффузионная, превышающая Сб на несколько порядков. В результате резкого увеличения диапазона изменения емкости варактора Св = Сб + Сдиф увеличивается накапливаемый на ней заряд, возрастает рабочий ток и преобразуемая мощность. КПД и мощность УЧ в этом случае достаточно большие даже при n = 5…7.



Параллельное и последовательное включение диода

Схемы умножителей частоты при параллельном (а) и последовательном включении варактора (б)

На рис. приведены эквивалентные схемы варакторных УЧ при параллельном и последовательном включении диода. В реальных варакторных УЧ, работающих в диапазоне СВЧ, входные и выходные фильтры выполняются в виде волноводных и микрополосковых конструкций.

Дифференциальное уравнение АГ. Условия самовозбуждения.

Составим дифференциальное уравнение генератора 2.1



учитывающее только переменные составляющие токов и напряжений. Согласно первому закону Кирхгофа ток в выходной цепи равен сумме токов, протекающих через индуктивность L, емкость C и эквивалентное сопротивление контура Rэ

С целью упрощения расчетов используем два допущения: а) входной ток активного элемента считаем отсутствующим (iв=0), что достигается подачей надлежащего смещения во входную цепь, тогда

где M - взаимоиндукция, характеризующая связь между катушками контура и цепи ОС;

б) пренебрегаем влиянием выходного напряжения усилителя на ток iк считая его зависящим только от входного напряжения

что в большинстве случаев лишь несколько снижает точность расчетов, не влияя на характер получающихся зависимостей.

Выражение (2.5) можно рассматривать как аппроксимацию характеристики прямой передачи АЭ относительно рабочей точки. Производную тока iк по времени запишем как



где S(uв) = Ф' (uв) -- крутизна характеристики (2.5). Заменяем токи в (2.2) согласно (2.5) и (2.3):

Дифференцируя это уравнение по времени, используя (2.6) и (2.4) и обозначая щ 2 о=1/LC, получаем дифференциальное уравнение генератора

Это уравнение является нелинейным, поскольку коэффициент при duв/dt зависит от искомой переменной uв. Нелинейность уравнения является следствием наличия в схеме нелинейного элемента. Уравнение определяет все свойства рассматриваемого генератора, и его решение позволяет установить и условия самовозбуждения, и особенности стационарных колебаний, и характер переходных процессов. При определении условий самовозбуждения колебаний нелинейное уравнение генератора (2.7), как уже отмечалось, может быть заменено линейным. Действительно, в этом случае нас интересует выяснение только вопроса, что будет с небольшим отклонением от состояния равновесия: станет оно затухать или нарастать. Так как нелинейная функция S(uв), представляющая крутизну характеристики прямой передачи, не имеет разрыва, для малых величин uв она может быть заменена значением этой функции при uв=0, т.е. крутизной S(0)=S в рабочей точке. В результате нелинейное уравнение (2.7) превращается в линейное:

Здесь напряжение u записано без индекса, поскольку уравнение справедливо и для uк, в чем легко убедиться, используя (2.4). Уравнение (2.8) можно записать как уравнение контура

с эквивалентным коэффициентом затухания.

Его решение имеет вид

генерирование сигнал цифровая радиосвязь

где А и ц--амплитуда и фаза, зависящие от начальных условий

- частота свободных колебаний. Если записать Rэ=L/Cr,

где r - сумма сопротивлений потерь, включенных последовательно в ветвях контура, то



где б=r/2L=1/2RэС -- коэффициент затухания контура.

Уравнение (2.9) показывает, что генератор эквивалентен колебательному контуру, коэффициент затухания которого уменьшен на величину MS/2LC, зависящую от взаимоиндукции М, т.е. от обратной связи. Полученный результат означает, что переменное напряжение на входе активного элемента, обязанное наличию обратной связи, создает ток iк, доставляющий в колебательную систему энергию, компенсирующую потери в ней. Необходимая же энергия переменного тока iк получается благодаря тому, что переменное напряжение uв управляет расходом энергии источника постоянного тока, имеющимся в выходной цепи, т.е. благодаря преобразованию энергии постоянного тока в энергию переменного тока.

Если обратная связь невелика вносимая энергия лишь частично компенсирует расходуемую в колебательной системе, поэтому возникшее колебание затухает, хотя и медленнее чем в отсутствие обратной связи. При достаточно сильной обратной связи коэффициент бэ оказывается отрицательным (вносимая энергия больше расходуемой) и колебания нарастают. Зависимость характера колебаний от бэ показана на рис.

Рис.2.3. Зависимость характера колебаний АГ от коэффициента затухания.

Условия самовозбуждения генератора можно записать как

или

В рамках допущений, принятых при выводе уравнения генератора, коэффициент обратной связи Кос=М/L, а коэффициент усиления усилителя Кy=SRэ. Поэтому условие самовозбуждения (2.12) идентично условию (2.1).

Обратная связь, способствующая самовозбуждению колебаний, называется положительной. В рассмотренном случае она соответствует M>0. Если знак М изменить на обратный, для чего достаточно поменять местами точки подключения одной из обмоток трансформатора, то затухание контура возрастет и самовозбуждение станет невозможным. Обратная связь, затрудняющая самовозбуждение, т.е. увеличивающая устойчивость состояния равновесия, называется отрицательной. Следовательно, для создания автогенераторов необходимо использование положительной обратной связи.

Нестабильность частоты. Уравнения, характеризующие зависимость нестабильности частоты от основных параметров АГ

Изменение температуры окружающей среды, напряжений источников питания, механические и другие внешние воздействия могут привести к изменению параметров отдельных элементов АГ и соответственно частоты и амплитуды колебаний самого устройства. Отклонения частоты в задающем генераторе РПдУ невозможно восстановить в его последующих каскадах. Именно поэтому нестабильность частоты АГ является одной из важнейших его характеристик, которая в значительной степени определяет надежность и бесперебойность работы систем связи, точность работы радиолокационных станций и других устройств. Часто для удобства в терминологии употребляют термин «стабильность частоты», хотя оба термина имеют одно и то же значение. Стабильность частоты -- это параметр, исключительно важный для ЭМС устройства или системы, и поэтому он является одним из основных в техническом задании на проектирование АГ и строго нормируется.

Стабильность частоты характеризуется её абсолютным Dщ и относительным изменением е = Дщ/щ0, где щ0 = 2рf0 -- частота автогенератора, а Дщ = 2рДf.

Различают два вида нестабильности частоты: долговременную и кратковременную. Под долговременной понимается нестабильность частоты, связанная с медленным изменением частоты АГ, вызванная изменением температуры, давления, влажности, напряжения источника питания. Кратковременная нестабильность определяется быстрыми флуктуационными изменениями частоты АГ, вызываемыми тепловыми и дробовыми шумами. Условно понимают, что нестабильности частоты, проявляющиеся за время наблюдения, меньше или равное одной секунде относятся к кратковременным. Кратковременная нестабильность АГ уменьшается с ростом добротности колебательной системы.

Если под действием дестабилизирующих факторов изменился какой-либо параметр АГ б0 на малую величину Дб, то чтобы баланс фаз сохранился, должна также на малую величину измениться его частота щ0.В итоге уравнение баланса фаз можно записать в следующей форме [1]:

Разлагая левую часть уравнения (2.36) в ряд по степеням Дщ и Дб, получим:



Учитывая соотношение ц(щ0; б0) = 2рn и малость изменения Дщ и Дб, можем записать

В итоге получим:

Обозначим изменение суммарного набега фазы, вызываемое изменением параметра б через

Подставляя (2.38) в (2.37) и разделив обе части уравнения на щ0 получаем выражение для относительного изменения частоты автогенератора:

Из соотношения (2.39) следует, что стабильность частоты автогенератора при заданном значении Дц тем выше, чем резче суммарный фазовый сдвиг зависит от частоты генерируемых колебаний. На практике обычно фаза средней крутизны цs и фаза коэффициента обратной связи цk слабо зависят от частоты.

Поэтому

Учитывая, что эквивалентное сопротивление контура Zэ на частоте щ при не слишком больших расстройках определяется соотношением

можно записать

где Qн - добротность колебательной системы; Rэ - эквивалентное сопротивление контура на резонансной частоте щк.

Используя (2.41), находим

Из полученного соотношения непосредственно следует, что чем ближе частота АГ щ0 к резонансной частоте контура щк, тем выше значение и, следовательно, в соответствие с (2.39) выше стабильность его частоты.

Для уменьшения фазового сдвига цs необходимо использовать в АГ транзисторы с высоким значением щгр. Эффективной мерой повышения стабильности частоты генератора является также компенсация фазового сдвига цk + цs путём включения в трехточечную схему добавочного реактивного сопротивления Z4 (см. рис. 2.15). В итоге полагая, что щ0 ? щк получаем:

Подставляя это выражение в (2.39), находим:

Поскольку

то всякое изменения углов, входящих в уравнение баланса фаз, изменяет суммарный фазовый сдвиг.



Используемая литература

1. Методические указания для самостоятельной работы студентов заочной формы обучения специальности «Радиотехника (программируемые радиоэлектронные средства)»по дисциплине «Формирование и генерирование сигналов в цифровой радиосвязи». Часть I. Минск 2017

2. https://studfile.net/preview/4327383/page:5/ 3.2. Режимы работы гвв. 18-21.03.2022.

Размещено на Allbest.ru

...