2. Введение

Бытовые радиовещательные приёмники (в дальнейшем ПРМ) предназначены для приёма программ звукового радиовещания в диапазонах длинных (148 … 285кГц), средних (525 … 1607кГц), коротких (3,95 … 12,1МГц) волн с амплитудной модуляцией (АМ) и в диапазоне ультракоротких волн (65,8 … 74; 100 … 108МГц) с частотной модуляцией (ЧМ), в том числе приёма стереофонических передач.

Технический (инженерный) расчёт ПРМ выполняется для того, чтобы на основе требуемых (заданных) характеристик на ПРМ получить:

обоснованный и наиболее оптимальный вариант структурной схемы с выбором электронных приборов, схем и основных характеристик каждого каскада;

характеристики и параметры всех элементов каждого каскада ПРМ, включая выбор оптимального режима работы электронного прибора;

принципиальную схему приёмника и спецификацию к ней.

Основными узлами и блоками ПРМ являются: приёмная антенна, ряд различных усилителей (УВЧ) и преобразователей высокой частоты, детектор, усилитель звуковой частоты (УЗЧ) и оконечное устройство, а так же используются системы автоматической подстройки частоты (АПЧ) и усиления (АРУ).

Классификация ПРМ проводится по ряду признаков: тип структурной схемы, вид используемых активных элементов, тип конструкции и т.д.

Структурная схема ПРМ в значительной степени определяется его назначением и видом модуляции сигнала. По виду структурных схем все существующие ПРМ можно поделить на: детекторные ПРМ без УЗЧ и с УЗЧ, приёмники прямого усиления, регенеративные и сверхрегенеративные ПРМ, синхронные, ПРМ с прямым преобразованием частоты и супергетеродинные ПРМ с одним и более преобразованиями частоты.

Современные ПРМ в большинстве случаев строят по супергетеродинной схеме, т.к. данная схема обладает существенными преимуществами (высокая чувствительность и селективность) перед ПРМ других типов. Поэтому проектируемый ПРМ будет строиться именно по этой схеме.

В данном курсовом проекте нужно спроектировать приемник радиостанции с диапазоном рабочих частот (458…491) МГц.

3. Выбор и обоснование структурной схемы приемника

3.1. Выбор структурной схемы приемника

Известны четыре основные структуры радиоприемных устройств[4]: 1) прямого усиления; 2) прямого усиления с регенерацией; 2) сверхрегенеративная; 4) супергетеродинная. В настоящее время преимущественно применяется четвертая структура, которую выбираем в качестве базы для проектируемого радиоприемного устройства.

Выбирая структуру приемника, будем руководствоваться ключевыми параметрами: частота принимаемого радиосигнала; избирательность по зеркальному каналу, избирательность по соседнему каналу, в сочетании с шагом сетки частот; чувствительность, отношение с/ш и полоса принимаемого радио сигнала; интермодуляционные искажения в сочетании с величиной динамического диапазона; относительная нестабильность частоты принимаемого сигнала. Рассмотрим каждую характеристику в отдельности.

Частота принимаемого сигнала определяет в первую очередь элементную базу радиочастотных блоков приемника. Радиочастота 491 МГц не является препятствием к построению усилителя радиочастоты, преобразователя и гетеродина на основе интегральной микросхемы, поэтому все указанные блоки реализуем на ИМС.

Избирательность по зеркальному каналу, в соответствии с техническим заданием, составляет 42 дБ. Вообще говоря, селективность по зеркальному каналу определяется совокупность факторов, в которую, по крайней мере, входят: крутизна нарастания затухания преселектора(если имеется ввиду избирательность по 1-му зеркальному каналу) за пределами полосы пропускания, значение промежуточной частоты и полоса пропускания преселектора. Первый фактор из приведенного перечня, подлежащий детальному рассмотрению – это значение промежуточной частоты. Его следует выбирать таким, чтобы было возможным сконструировать или применить готовые фильтры основной селекции с центральной частотой, равной промежуточной, и при этом обеспечить заданную селективность по соседнему каналу(в предположении однократного преобразования частоты). Очевидно, что чем ниже центральная частота полосового фильтра, тем более узкой полосой пропускания(в абсолютном выражении) он может обладать. Шаг сетки частот, то есть расстояние на частотной оси между соседними каналами, равен 1000000Гц. Выберем структуру приемника с одной промежуточной частотой.

Чувствительность определяет наименьшее значение ЭДС в антенне(на входе приемника), при котором обеспечивается требуемое значение напряжения(мощности) и отношения с/ш на выходе приемника. В свою очередь отношение с/ш на выходе приемника определяется отношением с/ш на входе, ухудшенным в Кш (коэффициент шума) приемника раз. В задании на курсовой проект, определены характеристики: нормированная шумовая температура антенны, сопротивление антенны, чувствительность, полоса принимаемого сигнала(задана косвенно через параметры ЧМ), – которые жестко задают отношение с/ш на входе приемника(при расчете отношения с/ш полагают рабочую температуру приемника равной комнатной). Из перечисленных характеристик, обуславливающих величину отношения с/ш на входе приемника, классифицирующее значение по отношению к приемнику имеет ширина полосы принимаемого сигнала. В зависимости от её величины приемники разделяют на узкополосные и широкополосные. Непосредственно ширина полосы принимаемого сигнала в техническом задании не указана, но можно утверждать, что она не превышает шаг сетки частот. Эта цифра уже относит разрабатываемый приемник к разряду узкополосных. Данная характеристика особенно интересна в контексте рассмотрения отношения с/ш на входе приемника, так как именно она в большей степени определяет величину теплового шума, «стоящую» в знаменателе отношения с/ш на входе приемника. Таким образом, узкополосность приемника приводит к хорошему отношению с/ш шум на входе приемника, а следовательно и к послаблению требований по Кш всего приемника и отдельных его каскадов в частности. Такое аналитически обоснованное смягчение условия на значения Kш отдельных каскадов приемника особенно выгодно использовать во входной цепи, являющейся первым блоком на пути радиосигнала, а значит доминирующем в определении Кш всего радиоприемного устройства.

Интермодуляционные искажения объясняются взаимодействием двух и более сигналов различных частот на нелинейном элементе. Из всех продуктов взаимодействия различных частот на нелинейном элементе выделяют интермодуляции третьего порядка, как наиболее близко расположенные по частоте к основному каналу приема. Характерной особенностью интермодуляционных помех третьего порядка является их пропорциональность третьей степени уровня входного сигнала(в предположении что паразитные продукты появляются на нелинейности в результате взаимодействия помехового сигнала с входным). Пропорциональность помехи кубу величины полезного сигнала приводит к наложению строгих требований на максимально допустимый уровень входного сигнала приемника. Если же дополнительно задана чувствительность(минимальный уровень входного сигнала), то в результате верхний и нижний уровни входного сигнала ограничивают рабочий динамический диапазон. Но в техническом задании на проект уже определен динамический диапазон входных сигналов 42дБ. Для его реализации совместно с выполнением требований по интермодуляционным искажениям применимы два подхода. Первый предполагает использование автоматической регулировки усиления каскадов радиоприемника. Второй метод основан на заведомом ограничении максимального уровня сигнала до первого каскада, в котором может проявиться нелинейность(первый каскад вносит наибольший вклад в суммарный уровень интермодуляционных искажений). Достигается это путем увеличения затухания, вносимого фильтрами преселектора в полосе пропускания. Обратной стороной такого подхода является возрастание Кш пассивного преселектора(Kш пассивного 4-х полюсника равен величине, обратной коэффициенту передачи, то есть затуханию в полосе пропускания).

Подчеркнем, что последний метод обеспечивает динамический диапазон в контексте требований по интермодуляционным искажениям. Для того чтобы уровень сигнала на выходе каскадов основного усиления(УПЧ) не превышал предельно допустимые значения, следует применить АРУ каскадов или использовать ограничитель.

Однозначно ответить на вопрос выбора подхода обеспечения динамического диапазона, возможно лишь по итогам расчетов уровней сигналов на выходе усилителей и реализуемой приемником избирательности по интермодуляционным продуктам третьего порядка. На начальном этапе проектирования полагаем, что динамический диапазон будет реализовываться применением преселектора, со значительным затуханием, и УПЧ- ограничителем.

Нестабильность частоты принимаемого сигнала зачастую влияет только на расширение полосы пропускания тракта второй ПЧ. Но возможна крайняя ситуации, когда нестабильность настолько велика, что расширенная из-за неё полоса пропускания тракта второй ПЧ захватывает соседний канал приема. Для борьбы с таким проявлением нестабильности частоты применяют системы автоподстройки ПЧ.

Подытоживая проведенный анализ структуры приемника, заключаем, что проектируемое устройство будет строиться по супергетеродинной схеме с одним преобразованием частоты. Для обеспечения динамического диапазона приемника будем стремиться использовать запас по величине затухания преселектора, обеспечиваемый низкими требованием к Кш приемника.

В техническом задании на проектируемый приемник не указано, что является оконечным устройством приемника. Исходя из назначения приемника (приемник радиостанции) полагаем, что это динамическая головка(громкоговоритель). Для нормального функционирования оконечного устройства необходимо усилить звуковой сигнал до определенного уровня в соответствии с параметрами динамической головки, а так как они неизвестны, то зададимся целью спроектировать приемник, на выходе которого будет присутствовать аудио сигнал уровня, достаточного для подачи на любой УНЧ. Достаточным будем считать уровень напряжения 200 мВ RMS(Root Mean Square среднеквадратическое значение).

На этапе постановки задачи было принято решение проектировать приемник с использованием ИМС. Из всего многообразия ИМС, выпущенных промышленностью за последние десятилетия, выберем изделия фирмы Philips Semiconductors и Analog Devices. Первые отличаются оптимальным сочетанием технико-экономических качеств, а вторые непревзойденными характеристиками. Блок первого смесителя с УРЧ построен на ИМС Philips Semiconductors SA602. В качестве дискретно перестраиваемого(для настройки на рабочую частоту) гетеродина первого смесителя выберем цифровой синтезатор частоты(косвенного синтеза, на основе кольца ФАПЧ) на ИМС Analog Devices ADF4360-7 с опорным генератором FOX 801BE-160 . ПЧ подсистему приемника, включая второй смеситель, реализуем на ИМС Analog Devices AD608.