Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Учебное пособие 800296

.pdf
Скачиваний:
1
Добавлен:
01.05.2022
Размер:
1.36 Mб
Скачать

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

Кафедра систем информационной безопасности

173-2017

СХЕМОТЕХНИКА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторной работе №1 «Синхронный амплитудный детектор на ячейки Гильберта» по дисциплине «Аппаратные средства

телекоммуникационных систем» для студентов специальности

10.05.02 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем»

очной формы обучения

Воронеж 2017

Составитель д-р техн. наук К.А. Разинкин

УДК 681.322 (07)

ББК 32.97я7 Схемотехника телекоммуникационных устройств: мето-

дические указания к лабораторной работе №1 «Синхронный амплитудный детектор на ячейки Гильберта» для студентов специальности 10.05.02 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем» очной формы обучения / ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»; сост. К.А. Разинкин. Воронеж, 2017. 33 с.

Методические указания содержат рассмотрение реализации амплитудного детектора, позволяющего превратить значения амплитуды высокочастотного сигнала в низкочастотные колебания. С учётом того, что практически все современные виды цифровой модуляции содержат амплитудную составляющую, в видоизмененном виде в цифровом демодуляторе присутствует амплитудный детектор. Особое внимание уделено приобретению навыков моделирования электронных схем (на примере схемы амплитудного детектора) с помощью Micro Cap 11.0

Методические указания подготовлены в электронном виде и содержатся в файле ЛР_№1_Синхронный детектор.pdf.

Ил. 18. Библиогр.: 8 назв.

Рецензент д-р техн. наук, доцент А.П. Преображенский

Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. А.Г. Остапенко

Издается по решению учебно-методического совета Воронежского государственного технического университета

© ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2017

ВВЕДЕНИЕ

Приемники радиовещательных сигналов, обладающих относительно низкой чувствительностью, широко используют для детектирования сигналов с амплитудной модуляцией простей-

шие диодные амплитудные детекторы (АД), работающие в линейном режиме [1,3]. Это позволяет обеспечивать минимальные нелинейные искажения в приемнике, обусловленные детектором.

Вцифровых системах наземной мобильной радиосвязи, в том числе и сотовой связи, амплитудные детекторы (демодуляторы) в чистом виде не применяются. Однако, учитывая, что практически все современные виды цифровой модуляции содержат амплитудную составляющую, в видоизмененном виде в цифровом демодуляторе присутствует амплитудный детектор. Причем, если учесть, что индекс этой паразитной модуляции составляет не 30%, как в аналоговой АМ, а достигает 100%, то сложность решаемых задач возрастает на порядок.

Впредставленном на рецензирование материале в качестве исходно й схемы (задания к лабораторной работе) предлагается реализация синхронного амплитудного детектора на ячейке Гильберта, которая в модифицированной бетазависимой форме, выполняет функцию смесителя или балансного модулятора в большинстве современных радиоприёмников и сотовых телефонов

Вработе особое внимание уделено приобретению навыков моделирования электронных схем (на примере схемы амплитудного детектора) с помощью Micro Cap 11.0.

Методическое указание предназначено для студентов специальности 10.05.02 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем», изучающих дисциплину «Аппаратные средства телекоммуникационных систем».

Краткие теоретические сведения

Приемники радиовещательных сигналов, обладающих относительно низкой чувствительностью, широко используют для детектирования сигналов с амплитудной модуляцией простейшие

диодные амплитудные детекторы (АД), работающие в линейном режиме [1,3]. Это позволяет обеспечивать минимальные нелинейные искажения в приемнике, обусловленные детектором. Повышение чувствительности радиоприемников одновременно с освоением области высоких и очень высоких частот (декаметровый и метровый диапазон длин волн), уменьшает уровень входного сигнала и как следствие, переводит работу АД в режим квадратичного детектирования. Использование нелинейного участка характеристики детектирования, при воздействии одного слабого АМ сигнала, увеличивает уровень нелинейных искажений. Одновременное воздействие на входе детектора слабого полезного и сильного мешающего воздействий, приводит в безинерционном АД к подавлению слабого сигнала сильным, что внешне проявляется в том, что вблизи настройки на мощную станцию сигналы соседних станций не обнаруживаются.

Синхронный детектор широко применяется в аналоговых стереофонических приемниках спутникового радиовещания и многоканальных системах связи, а так же в системах подвижной связи, в структуре I-Q демодуляторов и узлов синтезаторов частот [4,5]. При этом безинерционный детектор, работающий в режиме сильных сигналов, улучшает отношение сигнал/помеха. Условия лучшего прохождения полезного сигнала через детектор можно создать за счет введения в цепь детектора большого напряжения специального гетеродина, которое увеличивает напряжение несущей частоты полезного сигнала. В этих условиях полезный сигнал, с искусственно увеличенной несущей за счет напряжения гетеродина, выступает как сильный сигнал, обеспечивающий подавление всех других сигналов, подводимых к детектору.

2

Структурная схема синхронного детектора фактически совпадает со схемой фазового детектора, при постоянной фазе входного сигнала (рис.1.1).

Рис.1.1

Под воздействием генератора периодически, с частотой гетеродина, изменяется параметр (обычно крутизна) преобразовательного элемента. По принципу действия это совпадает с работой преобразователя частоты. Отличие наблюдается лишь в реализации фильтра на выходе детектора, являющего фильтром низкой частоты, выделяющим полезный продукт преобразования – спектр, определяющий характер изменения во времени амплитуды входного сигнала. Частоту гетеродина выбирают равной частоте несущего колебания на входе детектора: fr = fc, т.е. гетеродин должен быть синхронным с входным воздействием. Ток i2 на выходе преобразовательного элемента при условии постоянства амплитуды входного сигнала и с учетом фазы входного сигнала φс и начальной фазы напряжения гетеродина φr

(

)

( (

)

(

 

 

))

 

.(1.1)

Выходной ток преобразователя содержит составляющие с частотами fc, 2fc, ... и постоянную составляющую, определяемую разностью фаз напряжений сигнала и гетеродина Δφ=φс - φr. Полезная составляющая - постоянная составляющая выходного

тока, протекающего через Rн

 

 

(

)

(1.2)

3

создает напряжение

 

 

(

)

(1.3)

Как следует из (12.3) наличие модуляции у входного сигнала Uс(t) приведет к появлению на выходе детектора напряжения в соответствии с законом изменения амплитуды входного сигнала. Одновременно, выходное напряжение определяется

так же разностью фаз Δφ =

Очевидно, наибольшее

напряжение на выходе детектора u н

создается при условии:

, т.е. должна обеспечиваться не только синхронность, но и синфазность воздействующих на детектор напряжений ( ( ) Если разность фаз Δφ = , то напряжение на выходе фильтра низких частот (cos Δφ =0) отсутствует uн=0. Возможны три способа получения синхронного напряжения:

1.выделение несущего колебания полезного сигнала узкополосным фильтром с последующим усилением его до необходимой величины;

2.синхронизация местного гетеродина выделенным несущим колебанием:

3.автоподстройка частоты местного гетеродина под выделенное несущее колебание с точностью до фазы.

Наилучшие результаты дает использование двух последних способов.

Синхронизация местного гетеродина может нарушаться за счет воздействия помех, поэтому в синхронном приемнике особое значение имеет помехоустойчивость блока синхронизации.

Блок синхронизации должен пропускать к местному гетеродину только напряжение несущего колебания полезного сигнала: в этом случае, очевидно, что он должен обладать более высокой избирательностью по сравнению с избирательностью высокочастотного тракта приемника. Упрощение блока синхронизации возможно при выделении канала синхронизации свободного от помех и повышении уровня синхронизирующего напряжения.

4

Другой практической задачей синхронного приема является обеспечения условий безинерционного детектирования сигналов, что осуществляется уменьшением постоянной времени нагрузки детектора ( ).

Синхронный детектор приемника не должен бояться перегрузок, которые вызывают нелинейные искажения сигнала и уменьшают реальную чувствительность приемника.

Достижение условия синхронности и синфазности гетеродина реализуется в блоке синхронизации, включающем в себя узкополосный фильтр, для выделения напряжения несущего колебания и системы фазовой автоматической подстройки частоты гетеродина, управляемой ис.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

СИНХРОННЫЙ АМПЛИТУДНЫЙ ДЕТЕКТОР НА ЯЧЕЙКЕ ГИЛЬБЕРТА

1. Цель работы

Освоить принципы построения аналоговых перемножителей сигналов (АПС) на основе интегральных микросхем, исследовать их свойства при использовании в качестве синхронного амплитудного детектора в радиоприемных устройствах.

2. Задание

Изучить способы построения различные варианты построения амплитудных детекторов стр. 170 – 188 [1], стр.506 –

522 [3], стр. 82 – 85 [4], стр.248 – 252 [5], приложение к лабора-

торной работе.

Определить во сколько раз амплитуда напряжения огибающей на выходе синхронного детектора отличается при воздействии на его сигнальном входе амплитудно — модулированного колебания с амплитудой несущей Uс10 = 50 мВ и глубиной модуляции m1 = 80% и амплитудой напряжения

5

опорного генератора Uоп = 0,5 В по сравнению со случаем, когда Uс10 = 50 мВ, а Uоп = 50 мВ при условии синхронности и синфазности воздействующих напряжений.

2.1. Экспериментальная часть

2.2.1.Ввести принципиальную схему синхронного детектора. 2.2.2.Обеспечить режимы работы транзисторов перемно-

жителя, параметры источников сигналов и фильтра низкой частоты, подключаемых к выводам детектора, в соответствии с заданием.

2.2.3.Исследовать временные характеристики и спектр сигнала на выходе детектора.

2.2.4.Исследовать временные характеристики и спектр сигнала на выходе детектора при детектировании ОАМ.

2.2.5.Амплитудные характеристики синхронного детектора. 2.2.6.Рассчитать фазовую характеристику синхронного

детектора в диапазоне температур.

3. Описание схемы синхронного амплитудного детектора на ячейке Гильберта

Аналоговые перемножители сигналов, реализующие нелинейное преобразование, предназначены для выполнения операций умножения, деления, извлечения корня квадратного и др. Наибольшее распространение получили интегральные микросборки, реализующие операции модуляции – демодуляции. Построение и исследование свойств синхронного детектора проводится с применением ИМС К140МА1 [3-5], обладающей обширными функциональными возможностями (рис.1.2).

Синхронный амплитудный детектор построен на интегральном аналоговом перемножителе К140МА1 (внутри прямоугольника), использующем дифференциальные транзи-

6

сторные пары. В качестве базовых компонентов дифференциальных усилителей применяются n-p-n транзисторы КТ159NT1 [6].

Модель интегрального транзистора КТ159NT1, используемая при схемотехническом моделировании, описана в [7]. Точками обозначены номера выводов ИМС, к которым подключаются внешние цепи, где DG – источник напряжения гетеродина (опорного напряжения), Е1 – источник напряжения сигнала.

Рис.1.2

Резисторы R23 и R24 отображают внутреннее сопротивление подключаемых источников; конденсаторы С2, С3 и С6 являются разделительными. Нагрузкой детектора является входное сопротивление, усилителя низкой частоты, представленного резистором R30, усиливающего сигнал, снимаемый с фильтра. Фильтр НЧ образован выходным сопротивлением транзистора Q7 с параллельно включенным к нему резистором

7

R26 и цепочкой R31, С5. Реальные схемы синхронных детекторов чаще всего используют в качестве ФНЧ активные фильтры, реализованных с применением БТ или ОУ. Это увеличивает выходное напряжение и обеспечивает высокую помехоустойчивость. Основное преимущество схемы – перемножение во всех четырех квадрантах (любое сочетание знаков подключаемых источников напряжений DG и Е1). Работа перемножителя основана на электронном управлении коэффициентом усиления диффренциального каскада. Простейшим аналоговым перемножителем сигналов на диффренциальных транзисторных парах является дифференциальный усилитель (например, на транзисторах Q7, Q9 или Q10, Q12) фактически представляющий собой управляемый напряжением дифференциальный делитель тока [4].

4.Методические указания по выполнению работы

4.1.Расчетная часть

Для расчета величин, указанных в задании, необходимо считать в первом приближении, что коэффициент передачи синхронного детектора не зависит от амплитуды приложенных напряжений: входного сигнала и опорного генератора.

Транзисторы микросхемы КР159NT1 [6,8] обладают ре-

жимом в исходной рабочей точке: Iк0 7 = Iк0 9 = Iк0 10 = Iк0 12 =

102 мкА, Uкэ07 = Uкэ0 9 = Uкэ0 10 = Uкэ0 12 = 8,93 В.

4.2Машинное моделирование

4.2.1.Ввод принципиальной схемы синхронного детектора

Перед выполнении п.2.2.2. следует загрузить систему схемотехнического проектирования МС11 и вызвать в главное окно принципиальную схему синхронного амплитудного детектора на основе схемы универсального аналогового перемножителя сигналов (рис.1.2), находящегося в файле VУАПС

8