курсач / материалы / УМП КП РПрУдТРВ Косичк

диапазонах ВЧ и ОВЧ и наружные антенны для приема сигналов НЧ, СЧ, ВЧ и ОВЧ диапазонов.

В автомобильных приемниках применяют штыревые телескопические или активные антенны.

Для миниатюрных приемников ОВЧ диапазона в качестве антенны часто используют наушники.

Выбор конкретных типов элементной базы (полевых и биполярных транзисторов, интегральных микросхем, фильтров или, если это необходимо, других электронных приборов) производится на основе техникоэкономического сравнения по современным справочникам и интернет-сайтам ведущих фирм производителей (например, Analog Devices http://www.analog.com, NXP Semiconducrors http://www.nxp.com , Texas Instruments http://www.ti.com и др.) и поставщиков (например, http://www.radiocomp.ru, http://avrex.ru ) путем сопоставления их технических характеристик. Недопустимо применение устаревших, запрещенных к применению в новых разработках и, тем более, снятых с производства транзисторов, микросхем и других радиокомпонентов и радиодеталей.

Обоснование выбора элементной базы удобно проиллюстрировать наглядной таблицей на примере выбора интегральной микросхемы (Таблица 2).

Таблица 2. Выбор интегральной микросхемы

Выбор конкретного прибора должен быть тщательно аргументирован. Также должна присутствовать обоснованная критика отброшенных альтернативных вариантов.

В итоге для каждого выбранного элемента должно быть приведено заключение: выбрана интегральная микросхема типа …, отличающаяся от других рассмотренных следующими преимуществами: 1), 2), 3).

5.8.Расчет частотного плана.

При расчете частотного плана используются следующие исходные данные: диапазон принимаемых частот (fmin… fmax), ширина спектра сигнала (Fн…Fв), частотная избирательность по соседнему, зеркальному и прямому каналам ( ск,зк, пк, соответственно).

21

При расчете цифровых РПУ входная цепь полагается неперестраиваемой, а перестройка по диапазону осуществляется изменением частоты гетеродина в аналоговой части ЦРПУ, а также изменением частоты цифрового гетеродина в DDC.

Основные вопросы, которые необходимо решить на этом этапе:

1)определить необходимость разбиения заданного диапазона частот на поддиапазоны и выполнить разбивку;

2)выбрать промежуточную частоту, обеспечивающую подавление зеркального канала;

3)определить полосу частот аналогового тракта приема при условии обеспечения избирательности преселектора по неосновным каналам приема;

4)выбрать фильтры преселектора, записать их параметры: полоса пропускания, затухание в полосе пропускания и на неосновных каналах приема;

5)выбрать фильтр промежуточной частоты для выделения полосы частот приема группового сигнала, полосу пропускания, затухание по соседнему каналу,

6)для цифровых РПУ рассчитать минимальную частоту дискретизации для заданной полосы частот приема, реализуемой данной ИМС;

7)построить в масштабе по частоте частотный план, на котором отразить: диапазон принимаемых частот, диапазон перестройки гетеродина, значение преобразованной частоты, значения частоты опорных генераторов, частоту дискретизации, значения добротности фильтров и неравномерности их АЧХ в полосе пропускания;

8)сделать выводы о возможности применения выбранной элементной базы

(активных элементов, ИМС, АЦП и т.п.) и при необходимости выбрать элементную базу, удовлетворяющую требованиям расчета.

максимальная частота сигнала, fmin - минимальная частота сигнала, больше коэффициента перекрытия диапазона применяемых резонансных систем с переменной настройкой.

Разбивка заданного диапазона на поддиапазоны производится, если для НЧ и СЧ kД > 3.5, для ВЧ, ОВЧ kД > 2.5 [4 стр.29-32], [5 стр. 377-379] [7 стр.43].

Выбор промежуточной частоты. Допустим, на основе сравнения разных типов архитектур сделан вывод о целесообразности применения РТ с преобразованием частоты. Тогда следует рассмотреть возможность выполнения предъявляемых к нему требований при осуществлении в нем однократного преобразователя частоты. Рассмотрение такой возможности можно начать с выбора значения промежуточной частоты.

Величина промежуточной частоты для РТ с однократным преобразованием выбирается с учетом следующих положений:

1. Для обеспечения требуемой полосы пропускания УПЧ при конструктивно выполнимом затухании контуров УПЧ промежуточная частота fпр не должна

22

быть очень большой. Полосу пропускания РТ на уровне 0,707 можно записать в следующем виде: 2∆f = А/f0dэ , где f0 - резонансная частота; dэ - эквивалентное затухание контура; А - коэффициент, зависящий от числа контуров в РТ и величины связи между ними. В случае одноконтурного РТ А = 1, многоконтурного – А<1. Если, например, требуемая полоса пропускания одноконтурного РТ равна 10 кГц, а частота сигнала ‒ 10 МГц, то эквивалентное затухание контура должно равняться 0,001. Выполнить контур с таким малым затуханием практически невозможно. Конструктивно выполнимое затухание обычно равно или меньше 0,01.

2.При малой fпр легче обеспечить устойчивый коэффициент усиления УПЧ.

3.При большой fпр легче обеспечить требуемую избирательность входной цепи и УРЧ по зеркальному каналу, поскольку чем больше fпр тем дальше отстоит по частоте зеркальный канал от основного.

4.Промежуточная частота должна выбираться вне диапазона частот настройки приемника с тем, чтобы можно было обеспечить требуемую избирательность РТ по побочному каналу приема.

5.В целях возможности применения в УПЧ унифицированных фильтров промежуточная частота должна иметь стандартную или нормированную величину. В случае АМ-сигнала промежуточную частоту выбирают из следующего ряда: 110, 450, 465, 455, 500, 930 кГц или 1,6 МГц. Наиболее употребительны частоты 465 и 455 кГц. Стандартной промежуточной частотой ЧМ-приемников является частота 10,7 МГц.

Следует отметить, что выбор промежуточной частоты на данном этапе следует рассматривать как предварительный. Окончательно решить вопрос о

выборе fпр можно только после нахождения требований к фильтрам РТ и определения путей их выполнения. Если при однократном преобразовании частоты не удастся выполнить предъявляемые к РТ требования, то можно использовать многократное преобразование.

Далее определяется структура линейного тракта приемника с учетом заданных требований селективности и полосы пропускания.

Необходимая полоса пропускания линейного тракта П определяется

реальной шириной спектра принимаемого сигнала Пс с запасом fзап, и запасом на доплеровское смещение частоты fд равна: П = Пс + 2 fд + fзап.

Реальная ширина спектра зависит от вида сигнала, параметров модуляции:

1)при амплитудной модуляции ширина спектра ПсАМ=2Fв определяется высшей частотой модуляции Fв, которая для РПУ различных групп сложности может составлять от 3,15 до 8 кГц.

2)для ЧМ-сигналов ПсЧМ 1+mЧМ mЧМ , где – верхняяFв2Fв

(максимальная) частота модуляции сигнала, которая для РПУ разных групп сложности может составлять 12…15 кГц, mЧМ– индекс частотной модуляции: mЧМ f Д FВ , где fД – девиация частоты. Девиация частоты

в диапазоне ОВЧ: УКВ1 – 50 кГц, УКВ2 – 75 кГц.

23

3)для сигналов с цифровыми методами модуляции ширина спектра передаваемого сигнала зависит от скорости передачи (символьной скорости Tc) и определяется следующим соотношением: Пс≈1/Tc.

4)при использовании схемы модуляции OFDM ширина полосы частот

передаваемого сигнала определяется как: ПсOFDM N fn , где N ‒ количество поднесущих частот, fn ‒ частотный разнос между поднесущими. Например, в стандарте DAB разнос между поднесущими составляет 1 кГц, общее количество поднесущих частот 1536, таким образом ширина полосы частот, занимаемой сигналом, составляет 1,536 МГц.

Концепция цифрового телевизионного вещания ‒ сохранение существующих радиоканалов с полосами 6, 7 и 8 МГц [11]. Стандарт DRM также придерживается этого принципа: ширина полосы частот для НЧ и СЧ диапазонов составляет 9 кГц, для ВЧ диапазона ‒ 10 кГц [12].

Доплеровское смещение частоты для стационарных приемников не учитывается. При движении со скоростью v, м/с (например в автомобильных РПУ) возникает доплеровское расширение спектра fд=fcv/c, где c ‒ скорость распространения электромагнитных волн, fc ‒ частота сигнала (принимается равной максимальной частоте сигнала fmax.

Значение запаса по полосе fзап зависит от назначения приемника, требований к устойчивости приема. Для безподстроечных приемников fзап = 0.

Для супергетеродинных приемников с однократным преобразованием частоты:

нестабильность частоты принимаемого сигнала (нестабильность частоты передатчика) обычно не учитывается т.к. с<< г, г ‒ относительная нестабильность частоты гетеродина приёмника (это значение можно определить из соответствующих таблиц в рекомендуемой литературе, например таблица 7.1 [5 стр.380]), н и пр ‒ относительная погрешность настройки приёмника (настройки частот гетеродина) и усилителя промежуточной частоты, соответственно, а fc, fг и fпр ‒ значения частоты сигнала, гетеродина и промежуточной частоты, соответственно. В диапазонном приемнике рекомендуется брать fг= fгmax= fmax+ fпр.

Если необходимая полоса пропускания линейного тракта существенно больше реальной ширины спектра принимаемого сигнала, окончательное решение о выборе полосы пропускания принимают на последующих этапах проектирования структурной схемы.

Уменьшая полосу пропускания линейного тракта приемника можно повысить чувствительность и селективность приемника. Однако при этом повышаются требования к стабильности частоты гетеродина. При этом в приемниках высших групп сложности в качестве гетеродина используют синтезаторы частот, а в более простых приемниках ‒ системы автоподстройки частоты.

24

Значение запаса по полосе для приемников с многократной перестройкой частоты может быть рассчитано по методике, изложенной в [4, стр.21-23]. Там же приведена методика для расчета полосы пропускания приемников с автоподстройкой частоты. Кроме того подробные сведения по расчету изложены в [5 стр.379-383] [7, стр.40-42].

Выбор структуры преселектора. В супергетеродинной схеме РПУ преселектор, состоящий из входной цепи (ВЦ) и усилителя радиочастоты (УРЧ), определяет избирательность приёмника по зеркальному каналу зк и по каналу прямого прохождения (по промежуточной частоте) пк. Под избирательностью понимают отношение коэффициентов передачи по основному и побочному каналам приема. Основная избирательность по соседнему каналу ск обеспечивается в усилителе промежуточной частоты

(ПЧ).

Задача состоит в выборе числа и типа селективных цепей преселектора и расчета их требуемой эквивалентной добротности исходя из заданной избирательности приемника по зеркальному каналу и обеспечения требуемой полосы пропускания РТ при допустимом уровне частотных искажений или неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). На рис. 8 приведены наиболее употребительные схемы преселекторов. Самый простой преселектор состоит из одноконтурной входной цепи (рис. 8 (1)).

Рис 8. Типовые схемы радиочастотного тракта

Используя заданное в техническом задании значение избирательности по зеркальному каналу, выбираем вариант построения структурной схемы преселектора и выполняем для нее расчеты. Подробная методика расчетов приведена в [4 стр 34-47], [7 стр 43-47].

Избирательность одиночного контура: к 1 Qэ2 2 , где ξ ‒ обобщенная расстройка, f f0 f0 f . Эквивалентная добротность одиночного контура для обеспечения заданной избирательности по зеркальному каналу, следовательно,

25

каналу на верхней частоте диапазона (рассматриваем наихудший случай, при котором избирательность наименьшая). Следует обратить внимание, что в эту формулу селективность подставляется в разах, в то время как в техническом задании на проектирование она обычно задается в децибелах.

Частота зеркального канала при простом преобразовании частоты fз=fс+2fпр, где fс — частота сигнала, fпр — промежуточная частота, знак плюс или минус ставится в зависимости от верхней или нижней настройки гетеродина. Частота канала прямого прохождения равна промежуточной частоте.

Для неперестраиваемого входного контура эквивалентная добротность определяется как: Qэ fср fmax fmin , где fср ‒ средняя частота диапазона.

Ориентируемся на среднее значение добротности QЭ = 50 для диапазонов НЧ и СЧ и значение QЭ = 80 для диапазона ВЧ и ОВЧ.

Обычно для варианта рис. 8(1) QЭ оказывается намного больше 100, что нереализуемо. Поэтому полагаем, что в преселекторе используется два одиночных контура (рис. 8 (2-3)), для которых необходимо рассчитать требуемую эквивалентную добротность. Для n контуров σn=σкn. Если выбранный преселектор не обеспечивает заданную в техническом задании избирательность следует выбрать более сложную систему и выполнить все расчеты сначала. Расчет повторяется до тех пор, пока значение эквивалентной добротности не приблизится к значению, реализуемому для данного диапазона.

С учетом этого производится окончательный выбор количества преобразований частоты и промежуточных частот.

Избирательная система тракта промежуточной частоты определяет его полосу пропускания и избирательность по соседнему каналу. Сравнительно невысокие требования к избирательности радиовещательных приемников обычно удовлетворяются при однократном преобразовании частоты. Одновременно с выбором промежуточной частоты выбирается и способ обеспечения заданной избирательности по соседнему каналу. Обычно используется либо распределенная по каскадам селекция, либо ставится фильтр сосредоточенной селекции (ФСС), чаще всего сразу после смесителя. Если выбрана сосредоточенная селекция, то используются слабо избирательные или даже апериодические каскады УПЧ. В современных приемниках рекомендуется применение ФСС. Для их расчета используются уже описанные средства определения избирательности. В качестве ФСС применяют LC-фильтры, пьезокерамические и кварцевые фильтры, интегральные фильтры на ПАВ (см. Таблицу 1). Далее вычерчивается частотный план РПУ, пример которого приведен на рис. 9.

26

шума на выходе линейного тракта приемника (т. е. до демодулятора), RА ‒ активное сопротивление антенны, Ом (обычно принимают равным RA = 75–300 Ом).

При определении отношения сигнал/шум γ на входе демодулятора (выходе линейного тракта) приходится учитывать несколько факторов. Прежде всего на выходе приемников разных типов для работы оконечного устройства требуется различное отношение сигнал/шум: для вещательного АМ-приемника порядка 100 (20 дБ); для вещательного ЧМ-приемника порядка 400 (26 дБ) [7].

Кроме того, при демодуляции отношение сигнал/шум может существенно изменяться: при амплитудной модуляции (m = 0,3) оно ухудшается, при широкополосной частотной (ψ > 1) — наоборот, улучшается. Наконец, чувствительность может оцениваться как при отсутствии внешних помех, так и при их наличии. Ориентировочно, оценивая порядок величины γ, можно считать, что в случае частотной модуляции достаточно обеспечить работу ЧД в надпороговой области и принимать γ = 10 (10 дБ), а для вещательных АМ приемников γ = 1000 (30 дБ). Для приемников цифровых данных значения γ определяются по графикам зависимости вероятности ошибки от отношения сигнал-шум. Например, для допустимой вероятности ошибки не хуже 10–6 можно взять γ ≥ 5 для ФМн, γ ≥ 7 для ЧМн, γ ≥ 9 для АМн.

Решение о необходимости применения УРЧ принимается на основе требования Ш ≤ Шдоп. Однако в случае высоких требований по подавлению зеркального канала σзк допускается применение УРЧ и в том случае, когда по соображениям достижения заданной чувствительности УРЧ не является необходимым.

Требования по чувствительности приемника и линейности его тракта оказываются противоречивыми и обычно удовлетворяются методом компромисса. Необходимо постоянно проверять и корректировать расчеты.

Распределение усиления между трактами радиоприемника. Амплитуда напряжения сигнала на выходе РТ должна быть достаточно большой с тем, чтобы обеспечивалась нормальная работа детектора сигнала и других устройств, подключаемых к выходу РТ, например, АЦП или цепи автоматической регулировки усиления. Требуемое значение амплитуды сигнала, подводимого к детектору, зависит от типа детектора и его характеристик, вида и коэффициента модуляции сигнала, допустимого уровня искажений при детектировании и других факторов. Это значение можно точно определить на основе выбора типа детектора и цепей регулировок и расчета, их параметров. На этапе разработки структурной схемы РПУ такой выбор и расчет не проводятся, а задаются ориентировочным значением амплитуды сигнала Uвх, примерные значения которой, приводятся в справочной литературе (например,

[7 стр.49]).

Общее усиление радиотракта определяется, с одной стороны, необходимым напряжением на входе детектора, а с другой ‒ заданной чувствительностью приемника. Обычно оно принимается с 2 или 3 кратным запасом.

Методика распределения усиления между трактами радиоприемника подробно изложена в [4 стр. 48-54], а также [7 стр.49].

28

После этого целесообразно построить диаграмму уровней сигналов (и шумов) на входе и выходе каскадов приемника (рис.9), которую называют энергетическим планом. Она строится в логарифмическом масштабе, при этом усиление или затухание каскадов выражается в децибелах. Например: преселектор приемника дает ослабление 2 дБ, УРЧ — усиление 20 дБ, смеситель — усиление 10 дБ, ФСС — ослабление 6 дБ и т. д. Уровень сигнала и шума при этом удобно выражать в дБ по отношению к 1 мВт (дБм).

Рис. 10.Пример энергетического плана: сплошная линия ‒ сигнал при максимальной входной мощности; штриховая линия ‒ сигнал при минимальной

входной мощности; штрихпунктирная линия — уровень шума.

5.10. Расчет указанной части радиоприемного тракта.

После разработки структурной схемы РПУ можно приступить к разработке и расчету каждого каскада РПУ и затем к составлению принципиальной схемы РПУ В этой части курсового проекта по заданию руководителя могут быть рассчитаны:

параметры входных цепей (например, коэффициент связи с антенной, коэффициент перестройки по диапазону, максимальный коэффициент передачи, параметры элементов контура и т.п.);

усилитель радиочастоты (например, выбор типа схемы и типа транзистора, определение параметров транзистора, выбор схемы питания, расчет коэффициента усиления и коэффициента устойчивого усиления, расчет селективных свойств и т.п.);

усилители промежуточной частоты (выбор типов транзисторов и способов их включения, выбор вида схемы и необходимого числа каскадов усиления, расчет коэффициентов усиления каскадов и т.п.);

цепи селекции (расчет параметров ФСС и моделирование их работы);

29

цепи связи (согласование по мощности, расчет параметров симметрирующих устройств и т.п).

После расчета требуемых величин всех R, L, C элементов, требуется провести обоснование выбора типа стандартных деталей, откорректировать значения всех номиналов по Нормалям с учетом целесообразного допуска, а также рассчитанных ранее величин рассеиваемой мощности, приложенных напряжений, токов и т. д. При выборе целесообразной Нормали стандартных значений R, L и С, следует, в первую очередь, ориентироваться на требуемую степень точности номинала реального элемента, по сравнению с расчетной.

5.11. Принципиальная схема рассчитанной части.

Принципиальная схема вычерчивается на чертежной или миллиметровой бумаге в карандаше, либо выполняется в одной из доступных чертежных программ на ЭВМ.

Рекомендуемый формат А2 или А3, в зависимости от количества изображаемых на схеме элементов. Если в проектируемом РПУ используется несколько одинаковых функциональных узлов, допускается изображать полностью принципиальную схему только одного такого узла, а остальные при этом обозначаются условно — прямоугольником. Таким же образом, по согласованию с преподавателем, могут обозначаться и те узлы, которые не прорабатывались в конкретном проекте детально.

Все условные обозначения на схемах выполняются обязательно в строгом соответствии с требованиями ЕСКД (см, например [9 стр.45-47]).

К принципиальной схеме прилагается перечень элементов (спецификация) всех деталей рассчитанных каскадов РПУ.

5.12. Заключение.

Заключение и выводы по проекту – обсуждение полученных результатов проектирования. Выводы по проделанной работе являются заключительным этапом работы над КП. Выводы по работе – это обсуждение того, ценой каких структурных, схемотехнических и конструктивных решений достигнуто выполнение требований каждого пункта сформированного ранее ТЗ. Здесь же обязательно должны быть приведены количественные оценки того, насколько это требование ТЗ выполнено. Выводы не должны подменяться простым перечислением того, что сделано в проекте или того, как производилась работа над КП.

5.13. Список литературы.

Список литературы должен быть составлен в соответствии с ГОСТ. Не допускается приведение в списке литературы устаревших источников и источников, информация из которых не использовалась в ходе курсового проектирования.

Литература, рекомендуемая для курсового проектирования.

Основная литература [5], [7], [9]. Дополнительная литература [10-12].

30