Анализ технического задания. Оценка достоверности цифровой информации в канале связи. Выбор типа структурной схемы радиоприёмника. Разработка функциональной схемы. Применение приборов с переносом заряда. Проектирование схемы информационного тракта.
Аннотация к работе
С учетом исходных данных в начале рассчитаем полосу пропускания радиоприемника по формуле: , где значение Fc для сигнала с амплитудной манипуляцией выбирается из условия: = , Um=B/ Re log2m В результате взаимодействия двух этих частот на выходе смесителя появляется сигнал, содержащий множество комбинационных составляющих, в то числе и составляющую, частота которой равна разности двух этих частот fc-fr. Таким образом, в супергетеродинном радиоприемнике усиление и выделение радиосигнала осуществляется на трех частотах: на радиочастоте, промежуточной частоте и частоте модуляции (низкой частоте). Поскольку фильтр, включенный в выходную цепь смесителя, настроен на промежуточную частоту, смеситель для сигналов, у которых fc = fnp , является усилителем. 4) усилитель промежуточной частоты - предназначен для выделения спектра радиосигнала из помех, близких по частоте, и усиления его до величины, необходимой для работы детектора сигнала;В данном курсовом проекте, в соответствии с заданием, спроектирован УКВ радиоканал цифровой радиосвязи с разработкой радиоприемного устройства и с электрическим расчетом усилителя радиочастоты. После выбора схемы электрической структурной радиоприемника обоснованы параметры не указанные в задании на курсовое проектирование. На этапе разработке схемы электрической функциональной установлены общие принципы функционирования отдельных блоков и всего радиоприемника в целом. На основе схемы электрической функциональной была разработана схема электрическая принципиальная всего радиоприемника. Разработанное радиоприемное устройство можно целесообразно использовать в военном направлении, так как его характеристики удовлетворяют требованиям предъявляемым к аппаратуре боевого управления, в частности на машине связи.
План
СОДЕРЖАНИЕ
Задание
Введение
Анализ технического задания
Энергетический расчет СВ-ПВ радиоканала
Оценка достоверности цифровой информации в канале связи
Выбор типа структурной схемы радиоприемника
Выбор промежуточных частот
Разработка функциональной схемы
Электрический расчет усилителя радиочастоты
Проектирование детектора широкоимпульсного сигнала с линейной частотной модуляцией
Проектирование структурной схемы информационного тракта
Применение приборов с переносом заряда
Динамические емкостные фильтры
Заключение
Список литературы
Введение
Радиоприемное устройство является элементом любой системы радиосвязи и предназначено для приема радиосигналов, их преобразования и извлечения из них информации.
В настоящее время к современным радиоприемникам профессионального и специального назначения предъявляются высокие требования по массово-габаритным характеристикам, малому энергоснабжению, безотказной работы в течение всего срока эксплуатации, которые, прежде всего, определяются особенностями его эксплуатации.
Цель работы: необходимо разработать радиоприемное устройство и электрический расчет блока усилителя радиочастоты с цифровым каналом радиосвязи и блоком вторичной обработки информации.
В соответствии с поставленной задачей произведем анализ технического задания с целью разработки цифрового канала радиосвязи с электрическим расчетом усилителя радиочастоты радиоприемника при конкретных технических требованиях. В данной курсовой работе разработаем функциональную модель цифрового канала радиосвязи, а также произведем его энергетический расчет в соответствии с заданными техническими требованиями.
Кроме того, по полученным результатам в данной курсовой работе, выберем наиболее целесообразную структурную схему приемного устройства, на основании которой разработаем его функциональную и принципиальную схемы.
Учитывая требования, предъявляемые к современным радиоприемникам и с учетом современной элементной базы, произведем электрический расчет усилителя радиочастоты, и на основе полученных результатов была предложена его функциональная и принципиальная схема.
Анализ технического задания
В исходных данных технического задания отсутствуют требования по климатическим условиям эксплуатации приемника, а также вероятность его нормальной работы за среднее время наработки на отказ Тотк.ср.
С учетом того, что радиоприемник будет эксплуатироваться на морских судах, то есть работать в условиях агрессивной среды или же в закрытых, не отапливаемых, зачастую во влажных помещениях, то были выбраны самые жесткие условия эксплуатации.
Согласно резолюциям ИМО диапазон рабочих температур составляет от -500С до 500С, при влажности окружающей среды 95%.
С целью обеспечения требуемой надежности эксплуатации рекомендуется двукратное дублирование радиоприемника, то есть так называемый «горячий резерв».
Исходя из этих условий, значение вероятности нормального функционирования было выбрано P=0,998, за среднее время эксплуатации Тотк ср=3000 часов. С учетом исходных данных технического задания и, разработанных требований эксплуатации произведем энергетический расчет цифрового радиоканала.
Энергетический расчет СВ-ПВ радиоканала
С учетом исходных данных в начале рассчитаем полосу пропускания радиоприемника по формуле: , где значение Fc для сигнала с амплитудной манипуляцией выбирается из условия: = , Um=B/ Re log2m
Где B=100 Бод-скорость телеграфирования;
Re=50 Ом-сопротивление эквивалента антенны;
m=1,2,3,…
Исходя из этого, было вычислено значение Um
Um=100/50·log22=2 В
Отсюда Fc=5*2=10 Гц, тогда =1.2*2=2.4 Гц
В соответствии с техническим заданием и условиями работы определим чувствительность радиоприемника по формуле: , (1) где T=273 K - температура окружающей среды в Кельвинах;
K=1,38*10-23(Дж/к) - постоянная Больцмана;
N=6 - коэффициент шума приемника;
Ra=50 Ом - входное сопротивление антенны;
=2 Гц;
h =9 - заданное превышение мощности сигнала над мощностью шума (помехи) на входе приемника.
Таким образом: В
3.Определена зона расположения приемника.
Освещена зона (зона прямой видимости) найдена согласно [5]: ( ), (2)
При этом нижняя зона блокирования определена по формуле [5]: , (3)
Где - эквивалентные высоты антенн
- минимальная длина волны в используемом диапазоне 30…60 МГЦ
=300/Fmax, где Fmax=60МГЦ; (4)
=с/Fmax=3*108/6*107=5 м. (5)
Подставляя в формулу значения ,и были получены: , (6) где RЭЗ=8,5*106м - эквивалентный радиус Земли.
= 10.9 м.
Lбл=18* = 18*10.9*10.9/5= 427.72 (м).
Lпр=3,57*( ) = 31.93(км).
Сравнивая требуемую дальность радиосвязи Lсв со значением Lпр,получим Lпр>Lсв, то есть 31,93(км) <90(км). Следовательно, расчет напряженности электромагнитного поля в точке приема произведем по формуле Фока, которая имеет следующий вид: ЕД= , (8) где: L - длина радиолинии;
Lпр - расстояние прямой видимости;
v =0,2- коэффициент дифракции;
P1 - мощность подводимая к передающей антенне;
G - коэффициент усиления антенны ПРДУ;
=?min ?maх/2 средняя длина волны, где ?maх=с/Fmin=3*108/30*106=10 м;
тогда =5 10/2=7,5 м, Rзэ - эквивалентный радиус Земли (8500 км);
ЕД= = 0,0000394 В/м;
Зная напряженность электромагнитного поля в точке приема, определим действующее значение напряжения на входе приемника в точке приема: UД=ЕД*НД, (9)
Проверено выполнение следующего условия: UД Utp 1,72*10-6 0,21*10-6.
Из этого вытекает, что радиоприемное устройство будет уверенно принимать сигнал.
Рассчитано номинальное значение отношения сигнал/шум на входе приемника: 9(1,72*10-6/0,21*10-6)2 = 603;
После расчета канала связи была проведена оценка достоверности цифровой информации в канале связи.
Оценка достоверности цифровой информации в канале связи
Оценка достоверности цифровой информации в канале связи проведена с учетом вероятности отказа системы связи без учета отказа аппаратуры канала связи (техники), т.е. Ротк=0
Результатом проведения энергетического расчета является обеспечение требуемого отношения мощности полезного сигнала к мощности шума плюс помеха на входе линейной части приемника. В заданной полосе пропускания при фиксированной дальности связи L и мощности передатчика P. Тогда по заданному виду сигнала (модуляции), в данном случае сигнал АМ, для фиксированного значения по известной зависимости в приеме дискретного символа.
При известной длине сообщения, в данном случае длина сообщения N=720 , вероятность доведения некодированного сообщения определяется из графической зависимости Рдов=(1-РЭ)N, где РЭ=1,25*10-2, определяется из графической зависимости
РЭ=f( ), Рдов=(1-1,25 *10-2)720=0,000116604;
После расчета вероятности доведения информации необходимо проверить условие Рдов>Рдов треб или 0,00011604<0,999, то есть такая вероятность доведения информации меньше требуемой. Для повышения вероятности доведения информации необходимо либо увеличивать мощность передатчика с целью увеличения , а это в данном случае невозможно и не выгодно, либо применять помехоустойчивое кодирование, которое не требует дополнительных энергетических затрат, а требует лишь возможности расширения полосы пропускания канала связи в n/k раз, по сравнению с некодированной системой связи при фиксированном времени доведения сообщения T, использовать кодирование информации. Выбираем код (n,k,d)=(15,10,4), где n - длина кодовой комбинации;
k - количество информационных символов;
d - минимальное кодовое расстояние.
Вероятность ошибки: Р0(n,k,d)=2,8*10-3
Ptp=1-(1-Р0(n,k,d))n/k=5,36*10-9;
Следовательно, если мы сравним с требуемым значением =10-7, Ртр<Ртр треб 5,36*10-9 <10-7, из этого можно сделать вывод о том, что выбранный нами код правильный.
Рпр=1-(1-8,7*10-4)23=0,99975;
Рдов=0,99944;
Рпр дек= , где ти=1 - число гарантированно исправляемых кодом ошибок, Рэк=1,75*10-2, исходя из этого вычисляем вероятность правильного декодирования: Рпр.дек=0,9998.
Вероятность ошибки на бит информации Р0 , которая отдается получателю, определяется по формуле: Р0=(1- Рпр.дек)/2=0,0001, Следует отметить, что именно значение Р0 является одним из ключевых требований, которые предъявляет заказчик на проектируемую систему связи, при этом обязательно должно выполняться условие Р0 < Р0.тр, в данном случае это условие выполняется.
Вероятность доведения сообщения, кодируемого (n, k dmin), то есть (15,10,4), кодом определяется следующим выражением: Рдов=(Рпр.дек)N/K=0,9998720/10=0,9996, Данная вероятность доведения сообщения с использованием кода не менее требуемой.
Важным параметром дискретной системы связи является вероятность трансформации сообщения, которая определяется следующим выражением: Ртр N= =1-[1-Рно(n,k,d)]N/K, где Рно(n,k,d)= - выражает вероятность необнаруженной ошибки (трансформации) кодовой комбинации, которая возникает при L1=3 и более, ошибочно принятых двоичных символах.
L1=ти 2=3;
Рно(15,10,4)= =5,65 *10-8
Ртр15=1-[1-Рно(15,10,4)]15/10=8,4*10-9
Таким образом вероятность доведения дискретного сообщения до получателя РДОВ и связанная с ней вероятность ошибки на бит информации Р0, вероятность трансформации сообщения Ртр15 при заданных дальности радиосвязи, частотно - временных и энергетических затратах являются важнейшими тактико-техническими показателями связи.
Рдов РДОВ.ТРЕБ, при Т=const;
Р0 Р0ТРЕБ, при L=const ;
Ртр n Ртр n ТРЕБ при Р1=const;
Для разрабатываемой системы радиосвязи обеспечивается выполнение указанных условий при наименьших частотно-временных и энергетических затратах, то есть в этом смысле она почти оптимальна.
Далее был проведен выбор структурной схемы приемника.
Выбор типа структурной схемы радиоприемника
Современные связные приемники чаще всего строятся по супергетератинной схеме, что позволяет реализовать наибольшую чувствительность и избирательность по сравнению с другими типами схем. Однако супергетеродинным приемникам свойственны определенные недостатки: наличие «зеркального канала»;
наличие «паразитных» радиочастотных излучений гетеродинов;
наличие «паразитных» условий и амплитудной модуляции сигнала за счет внутренних помех в системе стабилизации.
Указанные недостатки необходимо учитывать при выборе типа структурной схемы. Структурная схема радиоприемника - это графическое изображение, дающее представление о структуре радиоприемника и состоящее из функциональных частей и связей между ними.
Радиоприемник, использующий супергетеродинный метод приема отличается от радиоприемника прямого усиления наличием преобразователя частоты. Структурная схема содержит следующие элементы: антенна, усилитель радиочастоты (УРЧ) преобразователь частоты, усилитель промежуточной частоты, детектор, усилитель низкой частоты и оконечное устройство.
Преобразователь частоты состоит из смесителя и гетеродина. Гетеродин - это маломощный генератор, вырабатывающий частоту fr. На вход смесителя подается напряжение частоты сигнала fc и напряжение с выхода гетеродина fr.
В результате взаимодействия двух этих частот на выходе смесителя появляется сигнал, содержащий множество комбинационных составляющих, в то числе и составляющую, частота которой равна разности двух этих частот fc-fr. Величина этой разности может быть выше или ниже частоты сигнала, но обязательно выше частоты модуляции, поэтому ее называют промежуточной. Таким образом, можно записать: Fпр = fг- fc при fг > fc (1.1)
Fпр = fc - fг при fr < fc (1.2)
Основой для выбора структурной схемы связного радиоприемника являются технические требования: к относительному изменению частоты подстройки радиоприемника;
к чувствительности радиоприемника;
к избирательности по «зеркальному» и соседнему каналам;
На промежуточную частоту настроена резонансная система, включенная в выходную цепь смесителя, что позволяет при соответствующей полосе пропускания выделить напряжение сигнала на промежуточной частоте. Следовательно, назначение преобразователя - преобразование частоты радиосигнала в другую промежуточную частоту с сохранением закона модуляции. В случае работы радиоприемника в диапазоне частот перестраиваются только избирательные цепи тракта радиочастоты, и изменяется частота гетеродина так, чтобы разность их настройки всегда была равна выбранной промежуточной частоте. Следует подчеркнуть, что настройка радиоприемника на частоту принимаемого сигнала определяется, прежде всего, настройкой гетеродина.
Входные контуры и контуры усилителя высокой частоты могут быть не перестраиваемыми, но с полосой пропускания, равной диапазону рабочих частот.
Усилитель, который усиливает сигнал на промежуточной частоте, получил название усилителя промежуточной частоты. Таким образом, в супергетеродинном радиоприемнике усиление и выделение радиосигнала осуществляется на трех частотах: на радиочастоте, промежуточной частоте и частоте модуляции (низкой частоте).
Соответственно участки радиоприемника, на которых происходит соответствующее усиление, называют трактом радиочастоты, промежуточной частоты и низкой частоты. Постоянство промежуточной частоты позволяет использовать в усилителе промежуточной частоты сложные избирательные системы, имеющие частотную характеристику, весьма близкую по форме к прямоугольной.
Рисунок 1.2 Образование зеркального канала при супергетеродинном методе приема.
Из двух возможных вариантов с одним или двойным преобразователем, была выбрана схема с двойным преобразователем частоты, так как только она обеспечивает требования селективности и требования технического задания.
Входная цепь выполняет следующую функцию: обеспечивает подстройку приемной антенны и входного фильтра радиоприемника на заданную рабочую частоту.
С входной цепи сигнал поступает на усилитель радиочастоты, который обеспечивает выполнение заданных требований по избирательности относительно зеркального канала и осуществляет предварительное усиление принимаемого сигнала и исключения паразитного излучения гетеродинов. В первом и во втором смесителе осуществляется преобразование частоты радиосигнала соответственно в сигналы первой и второй промежуточных частот. Гетеродинные напряжения поступают с синтезатора частот. В первом и во втором усилителе промежуточной частоты осуществляется усиление сигналов первой и второй промежуточных частот. Со второго усилителя промежуточной частоты сигнал поступает на детектор. В зависимости от вида модуляции принимаемых сигналов детектор может быть амплитудным, частотным, фазовым или пиловым. Для обеспечения оперативного управления и контроля современные радиоприемники имеют в своем составе устройство управления и контроля.
Супергетеродинный метод приема по сей день остается основным, так как он позволяет обеспечить устойчивый прием весьма слабых сигналов в условиях интенсивных помех. Сверхминиатюризация элементной базы не изменила основного принципа построения структурной схемы супергетеродинного радиоприемника, хотя он может представлять собой очень сложное устройство, в котором производится не одно, а несколько преобразований частоты сигнала.
Наряду с достоинствами супергетеродинный метод приема имеет существенные недостатки. Наиболее серьезный из них - так называемые побочные каналы приема. В радиоприемнике прямого усиления основными источниками помех служат соседние по частоте станции. Побочные каналы приема создаются в супергетеродинном приемнике в процессе преобразования частоты. Так, один из таких каналов, наиболее опасный, образуется следующим образом. На входе радиоприемника всегда действует множество сигналов различных частот, среди которых может оказаться частота, удовлетворяющая условию формирования промежуточной частоты. Причем, если в радиоприемнике принято условие fг>fc, то частота побочного канала f3K>fr . относительное расположение частот для этого случая показано на рисунке 1.2.
Частота f3K отстоит от частоты гетеродина fr на такое же расстояние, что и частота принимаемого сигнала fc. Поэтому канал, по которому проникает помеха на частоте f3K, называют симметричным или зеркальным. Для случая fr<fc частоты fc и f3K поменяются местами.
Второй побочный канал приема, по которому может проникать специфическая для супергетеродинного приема помеха, возникает на частоте, равной промежуточной fnpc. Поскольку фильтр, включенный в выходную цепь смесителя, настроен на промежуточную частоту, смеситель для сигналов, у которых fc = fnp , является усилителем. Эту помеху называют помехой прямого прохождения.
Для того, чтобы уменьшить помеху прямого прохождения и помеху по зеркальному каналу, как и других побочных каналов, необходимо их ослабить до попадания на вход преобразователя. Эта задача выполняется резонансными контурами тракта радиочастоты, который часто называют преселектором (предварительным селектором). Итак, в структурную схему супергетеродинного радиоприемника входят следующие элементы: 1) входное устройство - его назначение такое же, как и в приемнике прямого усиления, но главным образом для обеспечения избирательности по побочным каналам;
2) усилитель радиочастоты - его основное назначение - это повышение соотношения сигнал шум на входе преобразователя и ослабление помех от побочных каналов. Возможно построение супергетеродинного радиоприемника без усилителя радиочастоты;
3) преобразователь частоты - специфический элемент супергетеродинного радиоприемника;
4) усилитель промежуточной частоты - предназначен для выделения спектра радиосигнала из помех, близких по частоте, и усиления его до величины, необходимой для работы детектора сигнала;
5) детектор сигнала - предназначен для преобразования спектра модулированного радиосигнала в спектр частот модуляции;
6) усилитель низкой частоты или усилитель сигнала частот модуляции - его назначение такое же, как и в радиоприемнике прямого усиления.
Далее сделаем выбор промежуточных частот.
Выбор промежуточных частот
Важным этапом проектирования является выбор номиналов промежуточных частот радиоприемника.
Значения промежуточных частот могут быть оценены с помощью соотношений: f1ПР , (11) f2ПР , (12)
Где f0 max - верхняя частота диапазона радиоприемника;
а - параметр рассогласования антенно-фидерного устройства и выхода радиоприемника (а=1 при настроенной антенне в режиме согласования);
F(ППЧ)=0,64 - функция, учитывающая особенности тракта ПЧ;
f1ПР 134 МГЦ, f2ПР 254,43 КГЦ.
С точки зрения унификации были выбраны значения промежуточных частот: f1ПР=134 МГЦ, f2ПР=254,43 КГЦ.
После выбора структурной схемы и определения промежуточных частот была синтезирована функциональная схема.
Разработка функциональной схемы
Функциональная схема - это графическое изображение радиоприемника, представленное его основными функциональными частями и связями между ними в виде условных графических обозначений, установленных в стандартах ЕСКД.
На этапе разработки функциональной схемы радиоприемника необходимо решить следующие основные задачи: произведено разбиение диапазона рабочих частот на поддиапазоны;
проведено распределение избирательности по трактам;
произведено распределение усиления радиоприемника по трактам;
проведен выбор элементной базы для основных каскадов радиоприемника;
определен состав трактов;
При проектировании радиоприемника предназначенного для работы в широком диапазоне радиочастот, заданный диапазон рабочих частот должен быть разбит на несколько поддиапазонов. На практике применяются два основных способа разбиения на поддиапазоны: способ равных коэффициентов перекрытия КПД, способ равных частотных поддиапазонов
КПД=f2/f1=f3/f2=...=fn/fn-1, FПД=f2-f1=f3-f2;
При распределении усиления было учтено, что в первых каскадах оно ограничено от 5 до 10, в тракте первой промежуточной частоты, усиление в тракте УЗЧ должно быть с учетом оконечных устройств. На завершающем этапе разработки функциональной схемы радиоприемника решается задача выбора количества и типов каскадов трактов радиочастоты, промежуточной и звуковой частот. Рассчитаем количество поддиапазонов следующим образом: КПД=fmax/fmin=160/156=1, следовательно схема имеет один полосовой фильтр.
Таким образом, исходя из решения задачи функциональная схема имеет вид, представленный на рис.2 Входной сигнал поступает на антенно-фидерное устройства и входа первого каскада усилителя радиочастоты.. также эти фильтры осуществляют селекцию принимаемого сигнала. Выделенный в фильтрах Z1 и Z2 полезный сигнал поступает на усилитель радиочастоты, в котором осуществляется усиление, а также осуществляется избирательность по зеркальному каналу. Для этого к выходу усилителя радиочастоты подключают фильтр. В целом этот тракт является трактом радиочастоты. Он осуществляет первичную обработку радиосигнала. Поэтому сигнал, поступивший на преобразователь 1 промежуточной частоты окончательно «взберется по зеркальному каналу и помощью фильтра выделится полезный сигнал.
Помехи и низкочастотные составляющие отфильтровываются. После смесителя сигнал усиливается. Дальнейшая обработка происходит в смесителе и усилителе промежуточной частоты , где осуществляется преобразование по частоте. Далее сигнал попадает в усилитель промежуточной частоты где происходит избирательность по соседнему каналу, то есть помехи ослабляются, АРУ поддерживает требуемое отношение сигнал/шум на выходе фильтра, а также поддерживается постоянным коэффициент усиления радиоприемника, при изменении входного сигнала. Затем сигнал поступает в частотный тракт который в своем составе содержит ограничитель амплитуды, частотный детектор. Продетектированный сигнал усиливается в УЗЧ и поступает на оконечное устройство.
На схеме обозначено: WA - приемная антенна;
SA11, SA21 - переключатели поддиапазонов;
Z1, Z2 - полосовые фильтры;
A1...A5 - УРЧ: А1, А2 - усилители радиочастоты;
А3, А4 - УПЧ;
А5 - УЗЧ;
UZ1, UZ2 - смесители;
UR- детектор.
После разработки и обоснования функциональной схемы, был проведен, согласно техническому заданию расчет усилителя радиочастоты.
Электрический расчет усилителя радиочастоты
Для выбора элементной базы разрабатываемого блока, в данном случае это усилитель радиочастоты, произведен электрический расчет. Проведен расчет усилителя радиочастоты одного из поддиапазонов.
Коэффициент усиления усилителя радиочастоты изменяется в пределах от 10 до 20. Частота на которой он работает, изменяется в пределах от 30 до 45 МГЦ. Исходя из технического задания выбран из справочника тип транзистора, который по своим техническим характеристикам наиболее подходит к рассчитанному блоку усилителя радиочастоты, таким является транзистор ГТ308 В параметры которого: Ik0=2.5 МА, ІБ0=7 МКА, Uкэ0= 5В, Ек=12 В.
Будем предварительно полагать полное включение контура в цепь стока (р1=1) и неполное Ко входа следующего каскада с р2»0,15. Примем собственную емкость катушки CL=3ПФ; среднюю емкость подстроечного конденсатора Сп=10ПФ; емкость монтажа См=10ПФ состоящей емкости монтажа в цепи коллектора См1=5ПФ и в цепи базы См2=5ПФ; минимальную емкость контурного конденсатора Смин=7ПФ. Емкость контура без учета переменной емкости будет равна: CS=Сп CL р12(См1 С22) р22 (См2 С11)=10 3 (5 10) 0,152(5 50)»29 ПФ.
Минимальная индуктивность Lmin= (0.2..0.3) МКГН
Вычислим сопротивления цепи питания транзистора, полагая что: -допустимое падение напряжения на сопротивлении фильтра стоковой цепи DURФ=1В;
Для того, чтобы добиться заданных требований по избирательности параметры колебательного контура должны находиться в пределах: С=10...385 ПФ, собственное затухание контура 0,01...0,03, затухание катушки связи 0,05. Входом схемы является входная цепь, далее идет каскад преобразователя частоты на транзисторе.
Посколько Rд=1,06, то параметры транзистора и каскада изменяются мало. Поэтому расчет произведен на средней частоте, для которой Y21=0,077 См, д11=7 МСМ, д22=1 МСМ, С11=36 ПФ, С22=4 ПФ.
Принято : д11 0,75*2,8 = 2,1 МСМ и С11 0,8*36=29 ПФ.
коэффициент включения антенной цепи и входа первого каскада к контуру: Р1=
P2=
LK=1/( )=1,25 МГН
Так как входная проводимость равна 2,1*10-3 См, то RBX=476 Ом, входная емкость разделительного конденсатора равна СВХ=29пф. Конденсатор колебательного контура имеет емкость равную Скк=10-365 ПФ, индуктивность колебательного контура Lrr=1,25 МГН, напряжение питания схемы постоянное 12 В. В соответствии с полученными результатами проведенных расчетов выбрана элементная база.
Проектирование детектора широкоимпульсного сигнала с линейной частотной модуляцией
Устройство, предназначенное для выделения огибающей процесса называется детектором. При UM?0.3-0.5В диодный детектор работает в квадратичном режиме. Операцию получения квадрата огибающей выполняют в два приема: сначала с помощью линейного детектора выделяют огибающую, напряжение которой затем подают квадратор. Квадратор относится к устройствам , реализующим операцию умножения процесса на процесс. Наиболее совершенные перемножители-умножители компенсационного типа.
Рис.4. Умножитель компенсационного типа.
При подаче на вход 1 (U ) напряжения U реализуется операция возведения в квадрат. Умножитель компенсационного типа состоит из двух перемножителей прямого действия. Простейшим умножителем является избирательный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления. Так же в состав умножителя компенсационного типа входит операционный усилитель (ОУ). Амплитудный линейный детектор (АД) выполняют на полупроводниковых диодах или транзисторах. Диодные полупроводниковые детекторы могут иметь как последовательные, так и параллельные схемы включения.
Рис.5. Последовательная схема включения АД.
Источником сигнала является колебательный контур Lk, Ск , индуктивно связанный с выходом резонансного усилительного каскада. К нему подключен детектор , образованный диодом Д и нагрузкой RC. Фильтр (Lф и его паразитная емкость Сф) - уменьшает высокочастотные пульсации выходного напряжения.
Перед детектированием импульсы, принимаемые РЛ приемным устройством, согласно структурной схеме, проходят фильтровую обработку. Фо - представляет собой согласованный фильтр. Фильтр Фв - весовой сумматор на скользящем интервале.
Рис.6.Весовой сумматор на скользящем интервале.
Проектирование структурной схемы информационного тракта
Важнейшей составной частью оптимального приемника являются оптимальные линейные фильтры, наиболее характерными из которых являются фильтры, создающие на своем выходе максимальное отношение сигнал-шум, и фильтры, обеспечивающие минимальную среднеквадратическую ошибку в воспроизведении сигнала. К первым относятся так называемые согласованные (с сигналом) фильтры, у которых частотная характеристика совпадает со спектром сигнала (точнее - является комплексно-сопряженной, с ним): K(j?)=AS* (j?)exp(-j?t0), где а - постоянный коэффициент; S (j?) - спектр сигнала; t0 - временной сдвиг (от начала сигнала). Такой фильтр обеспечивает максимальное отношение пикового значения напряжения сигнала в момент t0 к среднеквадратическому значению напряжения шума: (2.18) где Q - энергия сигнала на входе фильтра; N0 - спектральная плотность входного шума.
Импульсная - характеристика фильтра, согласованного с сигналом uc(t), равна ?(t)=auc(tc-t), т.е. представляет собой зеркальное отображение сигнала.
Согласованные фильтры физически реализуемы не для всех сигналов, в частности необходимо, чтобы сигнал был конечной длительности.
Обычно выбирают t0=ти (условно считается, что ноль времени соответствует началу сигнала).
При практическом использовании согласованного фильтра (СФ) на его выходе обычно ставится схема взятия отсчета (СВО), работающая от схемы синхронизации СС и фиксирующая напряжение сигнала в момент А, (рис. 2.5). Наиболее просто выполняется согласованный фильтр для одиночного прямоугольного импульса напряжения (например телеграфной посылки, рис. 2.6, а). Он состоит из интегратора входного напряжения с передаточной функцией a/j? (a - постоянный коэффициент), устройства задержки с передаточной функцией exp(-j?t0) и сумматора сигналов. Аналогично выглядит структурная схема согласованного фильтра для радиоимпульса с несущей частотой ?c и прямоугольной огибающей. Но в отличие от фильтра для одиночного импульса здесь должен быть применен интегратор огибающей входного сигнала с передаточной функцией a/j(? - ?c).
Разновидностью оптимального фильтра первого типа является коррелятор, состоящий из перемножителя входного сигнала на его копию, генератора копии ГК и интегратора (рис.7). На рис.7 дополнительно показаны цепь синхронизации и схема взятия отсчета. Синхронизация нужна для того, чтобы включать генератор копии ГК точно в момент прихода сигнала, а в момент t0 произвести отсчет напряжения на выходе интегратора (после чего генератор должен быть возвращен в начальное нулевое состояние).
Несмотря на сходство конечных результатов, коррелятор и согласованный фильтр имеют много отличий. Согласованные фильтры являются пассивными системами, не критичными к фазе и задержке входного сигнала. В то же время они могут быть чувствительными даже я небольшим различиям между моментом взятия - отсчета выходного напряжения и моментом, когда это напряжение достигает максимума (рис. 2.8). Корреляторы являются активной системой. Они менее критичны к нестабильности момента взятия отсчета, но весьма чувствительны к рассогласованию между фазами принимаемого сигнала и копии.
Можно показать, что на выходе согласованного фильтра формируется сигнал, соответствующий (с точностью до постоянного множителя) зеркальному отображению относительно точки t0 корреляционной функции входного сигнала. На выходе коррелятора формируется постоянное напряжение, нарастающее от нуля до максимального значения в момент окончания вводного сигнала (рис. 2.8, в). Это значение соответствует, конкретной точке взаимной корреляционной функции входного сигнала и опорного сигнала, используемого в качестве копии, и определяется задержкой входного сигнала относительно копии, а также его фазой.
Коррелятор обладает "памятью", т. е. после окончания входного сигнала выходной сигнал сохраняется как угодно долго, и перед приходом следующего входного сигнала необходимо возвратить интегратор в начальное нулевое состояние. Таким образом выходные сигналы согласованного фильтра и коррелятора совпадают только в момент t0.
Есть еще одно важное отличие - для перехода на работу с другим сигналом в оптимальном фильтре надо изменить его схему. В корреляторе, по крайней мере принципиально, для этого достаточно сменить только копию сигнала.
Изза чувствительности выходного напряжения обычного согласованного фильтра или коррелятора к моменту взятия отсчета или фазе входного сигнала эти устройства не могут использоваться для сигнала c неизвестной фазой.
Рис.7 Схемы фильтров, нечувствительных к фазе сигнала, с использованием двух корреляторов (a) и амплитудного детектора (б)
Оптимальный фильтр, не чувствительный к фазе сигнала, состоит из двух корреляторов, на перемножители которых от генератора подаются квадратурные (сдвинутые на 90°) копии входного сигнала, схем возведения в квадрат и сумматора (рис. 7, а). Если частота высокочастотного заполнения, входного радиоимпульса достаточно велика по сравнению с длительностью импульса, можно применить более простую для аналогового исполнения схему, состоящую из фильтра, согласованного с сигналом, и амплитудного детектора (рис. 7, б).
При обработке сигналов эффективным средством решения ряда задач является представление сигнала в комплексной форме (квадратурная обработка сигнала). При частотном преобразовании (перемножении с опорным комплексным сигналом) частота комплексного сигнала смещается без образования паразитной суммарной или разностной составляющей спектра. При переносе частоты несущего колебания комплексного сигнала в ноль образуется так называемая комплексная огибающая, сохраняющая всю информацию о фазе и амплитуде исходного модулирующего сигнала. Это позволяет производить обработку сигнала на наинизшей частоте непосредственно по огибающей с исключением несущей частоты. При квадратурной обработке увеличивается аппаратурная сложность прибора, так как появляются два канала обработки - для синусоидальной и косинусоидальной составляющих сигнала. Эти каналы должны обладать высокой идентичностью характеристик, поэтому квадратурная обработка чаще всего используется в цифровых РПУ.
Для формирования комплексного сигнала чаще всего используется схема на рис. 8, а, которая при наличии генератора, настроенного на несущую частоту сигнала, выделяет комплексную огибающую. Фильтр на выходе каждого из преобразователей частоты пропускает колебания с разностной частотой и подавляет суммарную паразитную частоту спектра.
Комплексный сигнал, образованный из вещественного входного сигнала
Uвх(t)=U(t)·cos[?ct ?(t)] имеет на выходе формирователя с опорными частотами sin?t0 и cos ?t0 следующий вид (коэффициент преобразования принимаем равным единице): Uвых(t)=Uc JUC=U(t){cos[(?0 - ?0)t ?(t)] j·sin[(?0 - ?0)t ?(t)]}, где косинусоидальная и синусоидальная составляющие сигнала присутствуют каждая на своем выходе формирователя (рис.8, а).
Рис. 8. Функциональные схемы оптимального фильтра комплексного сигнала на основе согласованных фильтров (а) и корреляторов (б)
Схема на рис.8, б проще, но в ней необходим широкополосный фазовращатель при широкой полосе спектра сигнала. Составляющие комплексного сигнала на выходе схемы
В согласованном фильтре комплексного сигнала используются четыре фильтра действительного сигнала (рис.8, а) СФС и СФS, согласованные соответственно с квадратурными составляющими входного сигнала Uc вх и Us вх. Фильтр на рис.8, а дополнен квадратурным устройством выделения модуля огибающей. Аналогично можно построить оптимальный фильтр на основе корреляторов (рис.8, б), если использовать квадратурный генератор копии сигнала ГК. В зависимости от назначения или удобства выполнения практические схемы оптимальных фильтров могут несколько видоизменяться.
В ряде случаев удобной оказывается корреляционно-фильтровая схема оптимального фильтра, представляющая комбинацию коррелятора и согласованного фильтра. Так, в схеме оптимального фильтра для радиоимпульса (рис.7) генератор копии может быть заменен генератором непрерывных синусоидальных колебаний, синхронизированным схемой синхронизации с несущей входного сигнала. Сигнал на выходе перемножителя фильтра представляет собой огибающую радиоимпульса, который может уже фильтроваться фильтром, согласованным с импульсом напряжения (например, интегратором, также изображенным на рис.7).
При практической реализации информационных трактов аналоговых РПУ часто используются квазиоптимальные фильтры, у которых форма частотной характеристики заранее задана и максимум отношения сигнал-шум обеспечивается лишь соответствующим подбором полосы пропускания этой частотной характеристики. При существенном аппаратурном упрощении квазиоптимальные фильтры позволяют для простых сигналов получать результаты, близкие к результатам, получаемым с оптимальными фильтрами. Например, для одиночного радиоимпульса длительностью ти с прямоугольной огибающей квазиоптимальный полосовой фильтр с частотной характеристикой, имеющей прямоугольную форму, и оптимальной полосой пропускания Попт = 1,37/ти дает по сравнению с оптимальным фильтром проигрыш в отношении сигнал-шум 1,22 раза, или 0,8 ДБ. При реальных (не прямоугольных) частотных характеристиках фильтра, проигрыш оказывается еще меньше. Заметим, что ПФ 2-го порядка (частотная характерис
Вывод
В данном курсовом проекте, в соответствии с заданием, спроектирован УКВ радиоканал цифровой радиосвязи с разработкой радиоприемного устройства и с электрическим расчетом усилителя радиочастоты. Проведен энергетический расчет радиоканала.
После выбора схемы электрической структурной радиоприемника обоснованы параметры не указанные в задании на курсовое проектирование.
На этапе разработке схемы электрической функциональной установлены общие принципы функционирования отдельных блоков и всего радиоприемника в целом. Уяснена роль и назначение его отдельных элементов.
На основе схемы электрической функциональной была разработана схема электрическая принципиальная всего радиоприемника. На этом этапе, на основе электрического расчета, также были выбраны полупроводниковые элементы, используемые в схеме.
Разработанное радиоприемное устройство можно целесообразно использовать в военном направлении, так как его характеристики удовлетворяют требованиям предъявляемым к аппаратуре боевого управления, в частности на машине связи.
Дальность связи позволяет использовать данное радиоприемное устройство в позиционном районе ракетного полка для приема сигналов оперативного управления. В тоже время вероятность доведения и трансформации , а также высокая избирательность, позволяют использовать данное радиоприемное устройство для приема сигналов АСБУ.
Рабочий диапазон частот позволяет произвести сопряжение разработанного радиоприемного устройства с другими радиосредствами РК.
Была выбрана неоптимальная с точки зрения элементной базы принципиальная схема. Более целесообразной могла стать схема приемника на одной микросхеме. Например: К174ХА10. Поставленная задача решена полностью. Разработанная схема приемника соответствует требованиям технического задания
Список литературы
1. Бобров Н.В., Москва, «Радио и связь», 1981 г., « Расчет радиоприемников».
2. Екимов В.Д,, Павлов П.Н., Связь, 1970 г., «Проектирование РПМИ».
3. Злобин В.И. и др., Серпухов, 1985 г., «Радиопередающие и радиоприемные устройства».
4. Зеленевский В.В., и др., Серпухов, 1994 г., «Радиопередающие устройства».
5. Зеленевский В.В., и др., Серпухов, 1992 г., «Проектирование цифровых каналов связи».
6. Хиленко В.И., Малахов Б.М., Москва, «Радио и связь», 1991 г., «Радиоприемные устройства».