Учебно-методическое пособие к курсовому проекту по дисциплине Радиоприемные устройства систем радиосвязи и радиодоступа

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

Ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Московский технический университет связи и информатики

Кафедра радиооборудования и схемотехники

Чуркин Е.И.

Учебно-методическое пособие к курсовому проекту

по дисциплине

РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА СИСТЕМ РАДИОСВЯЗИ И РАДИОДОСТУПА

для студентов-заочников 4 курса

(направление 210700, 11.03.02)

Москва 2016

План УМД на 2016/17 уч.г.

Учебно-методическое пособие

ккурсовому проекту по дисциплине

РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА СИСТЕМ РАДИОСВЯЗИ И РАДИОДОСТУПА

Составитель Е.И.Чуркин, доцент

Издание стереотипное. Утверждено на заседании кафедры.

Рецензент О.В.Матвеева, доцент

ВВЕДЕНИЕ

Современное радиоприемное устройство (РПрУ), в соответствии с ТУ по ГОСТу, как правило, должно иметь высокую чувствительность и обеспечивать весьма высокую избирательность по побочным каналам приема. Особенно это касается радиовещательных приемников 0 и 1 групп сложности, приемников мобильной, космической и спецсвязи. Разработка РПрУ, удовлетворяющего одновременно указанным требованиям - задача сложная. Цель пособия - оптимизация преселектора РПрУ с целью обеспечения требуемых чувствительности Еа и избирательности Seзк по зеркальному и другим паразитным каналам приема. Эти параметры при реализации РПрУ с учетом стоимости взаимно противоречивы и определяют его структуру. При этом требуются ответы на следующие вопросы:

-нужен ли усилитель высокой частоты (УВЧ);

-какой должна быть промежуточная частота и сколько преобразований должно быть в РПУ;

-какими средствами обеспечить требуемое усиление в линейном тракте РПУ;

-какие фильтры обеспечат избирательность (селективность – Se) приемника по мешающим каналам приема (зеркальному –

Seзк; каналу с промежуточной частотой - Seпр; соседнему - Seск; побочному каналу, отстоящему от основного на половину

промежуточной частоты - Seп) и его помехоустойчивость. Ответы на эти вопросы можно получить с помощью программы RPUNS, для которой ниже приводится теория и необходимые пояснения.

1 . ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Программа RPUNS объединяет в единое целое отдельные специальные программы для расчета: Y-параметров транзисторов (RPUYP); допустимого коэффициента шума РПрУ в предположении действия только внутренних шумов; фактического (реального) коэффициента шума однокон-

3

турной входной цепи (ВЦ) с биполярным или полевым транзистором (БТ, ПТ) - RPUKN; избирательности многоконтурных (начиная от двухконтурных) фильтров - RPUFSS в двух вариантах расчета: а) входной цепи (ВЦ) и УРЧ, б) фильтра ПЧ. Излагаемая ниже теория ориентирована главным образом на прием сигналов с частотами до 250 …300 МГц, т.е. до частот, на которых возможно применение элементов с сосредоточенными параметрами. Однако, компромисс между реальной чувствительностью приемника и его избирательностью путем подбора коэффицентов включения в контур ВЦ со стороны источника сигнала (антенны) - М(m) и со стороны нагрузки (входа транзистора) - N(n) возможен и в приемниках СВЧ. (В его основе лежит “тупой” экстремум зависимости коэффициента передачи ВЦ (УРЧ) от коэффициентов включения).

Фактический же коэффициент шума приемника может быть рассчитан до частот, на которых не требуется знания S-параметров БТ, а расчет избирательности фильтра ВЦ не связан с конкретным типом резонаторов (с сосредоточенными или с распределенными параметрами), важно лишь иметь возможность реализовать заданные коэффициенты включения.

В тех случаях, когда разработчик выбрал однозвенные фильтры с сосредоточенными параметрами, выбор номиналов элементов следует начинать с выбора конденсатора контура Сk, а затем рассчитывать необходимую резонансную

индуктивность (по формуле Томпсона ω = 1/√ ). Примерные значения Сk для различных диапазонов волн следующие: ДВ - 900…700 пФ, СВ - 600…450 пФ, КВ – 320…120 пФ, УКВ - 70…25 пФ, на частотах выше 120 МГц – порядка 15 пФ в цепи вида рис. 5.

Программа содержит разделы: расчет Y-параметров БП, расчет допустимого коэффициента шума, расчет фактического коэффициента шума, расчет фильтров в ВЦ, УРЧ и в УПЧ. Помимо указанных расчетов на персональном компьютере (язык ПАСКАЛЬ) в конце этого пособия предусматривается ручной расчет общего коэффициента усиления линейного тракта РПрУ.

4

2. РАСЧЕТ Y-ПАРАМЕТРОВ ТРАНЗИСТОРА

Этот раздел позволяет найти Y-параметры для выбранного режима работы транзистора и его рабочей частоты на основании справочных данных в миллисимменсах в виде (форме) суммы активной Gxx и емкостной Bxx = ω.Cxx составляющих. Выбор транзистора делается либо на основе имеющегося у проектировщика опыта (граничная частота усиления тока fГР превышает частоту сигнала в верхней точке диапазона в 7…15 раз), либо с учетом рассчитываемого в следующем разделе допустимого коэффициента шума (чем ближе этот коэффициент к 1, тем больше указанное превышение), либо при окончательном расчете фактического коэффициента шума с тем условием, чтобы он превышал допустимый.

3. РАСЧЕТ ДОПУСТИМОГО КОЭФФИЦИЕНТА ШУМА

Изложенная ниже методика ориентирована на достижение приемником максимальной чувствительности, ограниченной лишь собственными шумами и, соответственно, не учитывает воздействия на антенну внешних помех, которые во многих случаях существенны (например, в сравнительно низкочастотных диапазонах). Поэтому найденный допустимый коэффициент шума для ДВ и СВ диапазонов должен в 5…10 раз превышать фактический (который будет найден в следующем разделе).

При заданной ЭДС Еа (мВ или мкВ) и параметрах сигнала в соответствии с программой RPUNS сначала рассчитывается допустимый коэффициент шума Шдоп по нижеследующим формулам. При несогласованной антенне (типа штыря) и отсутствии внешних помех

порядка 1 м Ra = 20…30 Ом и ЭДС Еа в нем может составлять единицы мкВ; если же задаваемая в антенне ЭДС более 15…20 мкВ, то это означает, что длина штыря больше 1 м и тогда Ra > 30 Ом);

kTо = Вт/Гц, То = 293 град. k – комнатная температура ( 20 град С.);

Пш – шумовая полоса линейного тракта РПУ (определяется преимущественно полосой пропускания ФСИ в тракте УПЧ), приближенно рассчитывается по эмпирической формуле Пш =1,1П0,7, где П0,7 - полоса пропускания многоконтурного ФСИ на уровне 0,7 (неравномерность АЧХ 3 дБ), выбранная с учетом ширины спектра сигнала; D, раз - отношение сигнал/шум на выходе линейного тракта РПрУ (или на входе детектора), другое обозначение ρвх = (РС/Рш )вх . Обычно D в

(согласно формуле D дБ =10 lgD).

Для согласованной антенны (при работе на фидер) расчет допустимого коэффициента шума производится по формуле:

hд – действующая высота антенны в метрах, определяемая ее конструкцией и рабочей частотой, равна 1…3 см на ДВ и до

6

10…30 см на КВ, Qэ - эквивалентная добротность магнитной антенны, n – коэффициент включения катушки магнитной антенны со стороны БТ(ПТ).

Внутреннее сопротивление магнитной антенны Rа также

где Rэ = 1/Gэ – эквивалентное сопротивление контура магнитной антенны, Gэ = G0 + n2g11, G0 = 1/Qρ; характеристическое сопротивление контура ρ = 1/ωСк; Cк – емкость конденсатора магнитной антенны, Q – конструктивная добротность магнитной антенны (100…150). Мощность сигнала на входе усилительного прибора на основании (3) и (4) может быть определена по формуле:

Видим, что при расчете Шдоп магнитной антенны по (1) в качестве Еа следует брать Еа = ЕАhд, а в качестве Rа следует подставлять Rа = dэρ = (d0 + n2g11 ρ)ρ, где d0 = 1/Q, dэ = 1/Qэ.

Из последней формулы для Rа следует, что чем меньше n, тем больше Рвх и Шдоп. Однако надо учитывать, что при этом будет возрастать и фактический коэффициент шума приемника Ш = Шфакт, т.к. действительный максимум напряжения на входе транзистора Uвх (и, соответственно, максимальная

чувствительность) должен иметь место при n = nопт =√ (условие согласования источника и нагрузки) и равен

Uвх макс = 0,5ЕAhд / (ρd0g11) ^ 0.5 . В этом случае в (1) для магнитной антенны следует подставлять

(и мощности) будет иметь место и минимум фактического коэффициента шума Шфакт приемника с магнитной антенной. Выбор полосы пропускания радиотракта определяется видом модуляции несущей. При амплитудной модуляции (АМ)

берется равной П0,7 = 2 Fв +δƒ, где δƒ - небольшой запас по полосе (5-10%),выбираемый исходя, главным образом, из

температурной нестабильности частоты гетеродина приемника. При однополосной АМ ширина спектра сигнала равна Fв.

При частотной модуляции требуемая минимальная полоса пропускания ФСИ (без учета нестабильности) равна

где ƒд – девиация ЧМ сигнала, М – индекс модуляции. Это значение может быть несколько увеличено из-за нестабильности частоты гетеродина или в соответствии с

формулой: ( √ ) ( ), гарантирующей низкий уровень нелинейных искажений. Параметр D, называемый иногда коэффициентом разборчивости, задается в ТЗ, однако для приемника ЧМ при необходимости повышения Шдоп значение D может быть выбрано меньше стандартной

может быть рассчитано, например, с помощью программы RPUFAP, имеющейся в кафедральной библиотеке. Отношение сигнал/шум на выходе ЧД при ЧМ многократно возрастает (если D > Dпор) согласно формуле

Dвых чд = 3M3D,

где M - (девиация /верхняя частота модуляции) - индекс ЧМ. Для АМ приемника величина D в соответствии с ГОСТ

составляет обычно сотни и тысячи (десятки дБ). Для приемника с ОМ D может быть меньше (при синхронном детектировании ОМ сигнала выигрыш по D равен 3 дБ). Получающееся значение Шдоп предопределяет выбор соответствующих средств обеспечения требуемой реальной чувствительности приемника Еа, которая при фактическом коэффициенте шума приемника ШФАКТ рассчитывается по тем же формулам (1) и (2), записанным относительно Еа и Ра.

Так, уже при Шдоп менее 10…20 следует применять УВЧ, а если Шдоп < 2…1,5, то в УВЧ должен быть применен высокочастотный усилительный прибор (БТ или ПТ) с fгр

8

(выше частоты сигнала не менее чем в 15…25 раз). Граничная частота fгр усиления транзистора по току - величина, либо указываемая в справочнике непосредственно, либо рассчитываемая на основании справочных данных по формуле:

fгр = fизмB ,

где B - модуль коэффициента усиления тока, измеренный на частоте fизм; (fгр должна превышать рабочую частоту приемника не менее чем в 10 раз). Более определенный вывод о пригодности транзистора можно сделать, произведя расчет устойчивого коэффициента усиления каскада на верхней

где S0 – статическая крутизна ВАХ транзистора (в среднем 0,1 А/В) S0 = h21эg11, Cк - ёмкость коллектора транзистора (0,5…20 пФ), kу – коэффициент устойчивости резонансного усилителя (обычно 0,8…0,9, в УРЧ может быть снижен до 0,1). Куст должен быть не менее 8…10, чтобы шумами последующих каскадов можно было пренебречь.

4.РАСЧЕТ ФАКТИЧЕСКОГО КОЭФФИЦИЕНТА

ШУМА ПРИЕМНИКА

4.1. Коэффициент шума на БТ. Настроенная антенна

После выбора транзистора, как отмечалось в разд.1, производится расчет его Y-параметров на рабочей частоте, которые используются для расчета фактического (реального) коэффициента шума приемника Ш = Шфакт, а также эквивалентной добротности (эквивалентного затухания) контуров входной цепи и в коллекторной цепи транзистора УВЧ.

Расчет коэффициента шума первого каскада (УВЧ) производится для настроенной антенны в соответствии с эквивалентной схемой рис. 2, где m и n – коэффициенты включения со стороны антенны и входа транзистора, соответственно, по формуле [3].

9

- эквивалентная проводимость контура, учитывающая вносимые потери со стороны источника сигнала (антенны, фидера) и от входа БТ (ПТ); Gи – проводимость источника

сигнала (1/Rа);

Gи1 = m2Gи /n2; Gо1 = G0 /n2; Rш ≈ 20 Iк /│Y21│ и Gш ≈ 20 Iк / h21э

h21э – коэффициент усиления тока в схеме с общим эмиттером, rб = ξτк/Ск, τк - постоянная времени цепи ОС транзистора (пикосек, справ), коэффициент, характеризующий технологию изготовления БТ ξ для современных транзисторов может полагаться равным 3; ρ = 1 / ωCk – характеристическое сопротивление контура, здесь Сk – емкость контура (следует отличать от обозначения для емкости коллектора Cк).

Расчет реального коэффициента шума приемника непосредственно по (8) целесообразен при m и n много меньших 1, т.е. когда не требуется обеспечивать высокую чувствительность приемника (Шдоп не менее 3), а требования на селективность приемника по зеркальному каналу (или другим аналогичным каналам) жесткие (более 36 дБ). Если же требуется обеспечить Шдоп < 1.5…2, т.е. на пределе возможностей современных транзисторов, то минимизировать реальный коэффицинт шума программа позволяет выбором М (m) и N (n) при оптимальном рассогласовании или режиме согласования с антенной. Однако при этом m ~ 0.5 и n = 1, что, естественно, обуславливает низкую эквивалентную добротность контура и плохую избирательность ВЦ. Формулы

10