4441

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЦИФРОВЫЕ

РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ

УСТРОЙСТВА

Методические указания

к курсовой работе

Рязань 2011

УДК 621.396.61

Цифровые радиопередающие устройства: методические указания к курсовой работе / Рязан. гос. радиотехн. ун-т; сост. Е.В.Васильев. - Рязань, 2011. - 16 с.

Содержат рекомендации по выполнению курсовой работы по дисциплине «Цифровые радиопередающие устройства».

Предназначены для студентов специальности 210302.

Ил. 1. Библиогр.: 22 назв.

Цифровые радиопередающие устройства, прямые цифровые синтезаторы частоты, синтезаторы с фазовой автоподстройкой частоты

Печатается по решению редакционно-издательского совета Рязанского государственного радиотехнического университета.

Рецензент: кафедра радиотехнических устройств РГРТУ (зав. кафедрой д-р техн. наук Ю.Н. Паршин)

Цифровые радиопередающие устройства Составитель: в а с и л ь е в Евгений Викторович

Редактор Н.А. Орлова

Корректор С.В.Макушина

Подписано в печать Формат бумаги 60х84 1/16.

Бумага газетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,0.

Тираж 75 экз. Заказ

Рязанский государственный радиотехнический университет.

390005, Рязань, ул. Гагарина, 59/1.

Редакционно-издательский центр РГРТУ.

1. Пример технического задания на курсовую работу

Министерство образования и науки Российской Федерации

Рязанский государственный радиотехнический университет

КАФЕДРА РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ № 101

на курсовую работу по дисциплине

«Цифровые радиопередающие устройства»

Студент: Максимов В.В. Курс: 4 Группа: 310

Руководитель: Сергеев Б.Б.

Срок представления проекта к защите: 25 мая 2011 г.

Наименование проекта «Цифровое радиопередающее устройство»

(Передающая часть радиомодема КВ радиолинии)

Технические данные

Основные требования по ГОСТу: ГОСТ 22579-87

Выходная мощность: 10 Вт

Диапазон или ряд рабочих частот: 3,5 – 3,8 МГц, шаг 100 Гц

Вид работы, модуляция: QPSK, BPSK

Параметры выходной нагрузки: антенна, 50 Ом

Подавление нежелательных излучений: 60 дБ

Источники питания: аккумулятор, +12…13,5 В

Источник передаваемого сообщения: компьютер IBM PC

Интерфейс с компьютером (если есть): RS-232C

Системы автоматического регулирования: снижение

выходной мощности при рассогласовании антенны

Системы автоматического контроля (настройки) параметров:

контроль КСВ

Дополнительные требования: скорость передачи 1200 бит/с

Подпись руководителя _____________________

Подпись студента _________________________

Дата выдачи ______________________________

2

2. Требования к выполнению курсовой работы

Курсовая работа по дисциплине «Цифровые радиопередающие устройства» должна содержать обязательные основные разделы, перечисленные ниже.

1. Анализ требований технического задания. В этом разделе рассматриваются основные параметры, перечисленные в техническом задании (ТЗ), делается попытка отнести передатчик к одному из известных типов в соответствии с принятой классификацией (например, «Передатчик радиовещательный с частотной модуляцией»). В случае если в ТЗ не указан ГОСТ или другой нормативный документ, необходимо самостоятельно найти и привести в этом разделе основной документ, в котором содержатся требования к передатчикам данного типа или системам связи, в которых такие передатчики используются. Это может быть зарубежный или международный стандарт, например, разработанный одной из следующих организаций:

- Европейским институтом стандартов в связи ETSI (www.etsi.org);

- Ассоциацией промышленности связи США (www.tiaonline.org);

- Ассоциацией радиопромышленности и бизнеса Японии (www.t1.org);

- Международным союзом электросвязи ITU (www.itu.int) и т.д.

Допустимо ссылаться на отраслевые нормативные документы или документы основных фирм-производителей техники данного типа (фирмы, производящие радиопередатчики: Harris, Rhode & Schwartz, NEC, ICOM, Kenwood, Yaesu, Broadcast Electronics и многие другие).

Из указанных вами в данном разделе нормативных документов необходимо извлечь те параметры и характеристики проектируемого передатчика, которые не указаны в ТЗ, но требуются для расчетов или разработки структурной и принципиальной схем передатчика.

В данном разделе также можно предварительно указать, какие блоки или узлы проектируемого передатчика целесообразно будет выполнить в цифровом виде, а какие – в аналоговом.

Объем данного раздела – 1…2 листа.

3

2. Краткие теоретические сведения. В этом разделе приводятся основные сведения о системе связи (вещания, передачи информации и т.п.), в которой будет использоваться данный передатчик, например – скорость передачи информации, частотный диапазон, ширина спектра сигнала и частотный разнос каналов (если он используется), методы модуляции, способ уплотнения каналов или множественного доступа, мощности сигналов и особенности их распространения и т.д.

Далее необходимо привести материалы, освещающие теоретические основы работы используемой в передатчике цифровой элементной базы, например – пояснить применяемые в данном случае методы цифрового формирования или модуляции ВЧ сигнала, перечислить особенности функционирования используемого синтезатора частоты, рассмотреть и сравнить различные варианты построения схем для выполнения тех или иных требований ТЗ. Текст должен быть написан так, чтобы на него удобно было ссылаться из следующих разделов при обосновании структурной и принципиальной схем передатчика.

Объем раздела, посвященного теоретическим сведениям, – 5…10 листов.

3. Обоснование структурной схемы передатчика. В этом разделе должна быть разработана структурная схема передатчика с учетом всех требований ТЗ и дополнительных требований, приведенных в первом разделе. На структурной схеме должны быть показаны все блоки передатчика, на каждом из них должен быть указан конкретный тип активного элемента (марка транзистора) или интегральной микросхемы (синтезатора частот, АЦП, ЦАП, микроконтроллера, цифрового сигнального процессора, аналогового стабилизатора напряжения, операционного усилителя и т.п.). Как правило, в цифровом передатчике могут присутствовать следующие блоки:

• блок обработки входного сигнала – АЦП или цифровой интерфейс, которые в некоторых случаях входят в состав микроконтроллера (поскольку на принципиальной схеме последнее будет не очевидно, то нужно четко указать это на структурной схеме);

• микроконтроллер, управляющий работой остальных блоков и осуществляющий, если это задано в ТЗ, взаимодействие с пользователем;

4

• элементы систем контроля функционирования и настройки передатчика, если это требуется по заданию - датчики температуры, падающей и отраженной волны, питающих напряжений и смещений активных элементов усилительного тракта и т.п., а также исполнительные блоки этих систем – шаговые двигатели их драйверы, ЦАП, ключевые схемы и др.;

• цифровой сигнальный процессор, осуществляющий обработку информации в низкочастотной области (DSP), или цифровой сигнальный процессор передатчика, формирующий ВЧ сигнал (специализированная ИМС, имеющая название TSP);

• цифровой синтезатор частоты и сопутствующие ему блоки – фильтры, генератор, управляемый напряжением (ГУН) и т.п.;

• источники тактовых колебаний для микроконтроллера, опорных колебаний для синтезатора частоты и преобразователей частоты, отдельные или общие для некоторых блоков, с указанием их типов (например, для монолитных кварцевых генераторов) и обязательно с указанием вырабатываемых частот;

• аналоговые каскады, в которых осуществляется модуляция сигнала, усиление по мощности или преобразование его частоты – модуляторы, управляемые фазовращатели, квадратурные смесители, умножители частоты и усилители и пр.; каждый каскад усиления или умножения частоты должен быть представлен в виде отдельного блока, для которого нужно обязательно указать мощность и частоту его входного и выходного сигналов и тип активного элемента; напоминаем, что усилительный тракт передатчика рассчитывается по мощности сигнала «от антенны», т.е. начиная с выходного каскада к предыдущим каскадам; в данной курсовой работе для того чтобы найти входную мощность конкретного каскада по его выходной мощности, не требуется осуществлять подробный расчет электрической схемы каскада, достаточно будет воспользоваться справочными данными на примененный транзистор с учетом соотношения его рабочей и граничной частот;

• согласующие и фильтрующие цепи генераторно-усилительного тракта, пассивные сумматоры и разветвители, мостовые устройства; допускается не указывать на структурной схеме межкаскадные согласующие цепи усилительного тракта, но их КПД (ориентировочно 0,9) должен учитываться в расчете усилителя мощности; выходная согласующе-фильтрующая цепь (ВСФЦ) помещается на структурную схему в виде отдельного блока обязательно.

5

Приведенный список блоков, разумеется, является ориентировочным, он может быть дополнен или сокращен в зависимости от конкретного ТЗ.

Пример структурной схемы простого цифрового передатчика, рассчитанного на работу с видами модуляции BPSK и QPSK в диапазоне 3,5…3,8 МГц с выходной мощностью 10 Вт, показан на рисунке. Этот передатчик удовлетворяет требованиям технического задания, приведенного в первом разделе настоящего методического указания. Структурная схема выполнена с учетом всех требований, перечисленных выше. На схеме имеется ИМС интерфейса с компьютером по стандарту RS-232C, микроконтроллер, управляющий работой синтезатора и осуществляющий в нем же фазовую манипуляцию, источник тактового сигнала для микроконтроллера (кварцевый резонатор) и для синтезатора (монолитный кварцевый генератор), усилительный тракт. Имеется схема контроля выходной мощности и КСВ в антенно-фидерном тракте, которая при превышении заданного значения КСВ снимает смещение с транзистора входного каскада усилителя мощности. Для измерения напряжений, поступающих с датчиков падающей и отраженной волн рефлектометра, используется внутренний АЦП микроконтроллера.

В случае использования однокристальных передатчиков или трансиверов, как правило, все равно требуется усилитель мощности; его каскады и ВСФЦ подлежат расчету и обязательно помещаются на структурную схему. Необходимо привести на этой схеме и структуру блоков, размещенных на чипе такого передатчика или трансивера, с указанием их конкретной роли в схеме и рабочих частот.

Вот еще несколько полезных замечаний по разработке структурной схемы цифрового радиопередатчика.

При выборе АЦП требуется в первую очередь учитывать его быстродействие (количество выборок в секунду), разрядность и скорость обмена по интерфейсу, связывающему его с микроконтроллером. Эти параметры должны быть приведены в тексте курсовой работы. Нужно показать и источник тактового сигнала для АЦП – собственный кварцевый резонатор, внешний генератор и т.п. У микроконтроллера должно быть достаточно портов ввода-вывода, чтобы обслужить и выбранный вами АЦП, и прочие устройства – это следует учитывать при выборе способа обмена данными (параллельный, последовательный) между АЦП и микроконтроллером. Также требуется указать источник опорного напряжения для АЦП – внутренний (если он имеется на кристалле АЦП) или внешний, т.е. отдельную микросхему.

6

7

Для выбираемого микроконтроллера важна производительность, связанная с тактовой частотой и количеством тактов, требуемых в среднем для выполнения одной команды. Производительность имеет важное значение в том случае, когда процессор «непрерывно» принимает поток входных данных и, особенно, когда осуществляет «непрерывную» перезагрузку регистров синтезатора для осуществления модуляции радиосигнала в реальном времени. Поэтому необходимо рассчитать тактовую частоту микроконтроллера (с запасом), указать источник тактового сигнала – подключенный к внутреннему генератору кварцевый резонатор, внутренний прецизионный RC-генератор или внешний генератор. Стоит обратить внимание на объем оперативной памяти (если входные данные приходится накапливать) и на количество портов ввода-вывода, если требуется параллельная загрузка каких-либо устройств.

Самым ответственным решением в данной курсовой работе, по-видимому, является выбор синтезатора частоты, поскольку именно он определяет всю структуру радиочастотной части передатчика. При выборе синтезатора частоты необходимо принимать во внимание целый ряд факторов:

- диапазон рабочих частот, шаг сетки частот, а также необходимость дальнейшего повышения (или преобразования) частоты в усилительно-генераторном тракте; здесь определяется тип синтезатора – прямого цифрового синтеза (DDS) или косвенного синтеза с ФАПЧ (PLL);

- возможность и целесообразность осуществления заданной модуляции в синтезаторе частоты, подходящем по требованиям диапазона частот и шага по частоте; в противном случае необходимо введение дополнительных модулирующих каскадов после синтезатора частоты;

- шумовые свойства синтезатора, уровень паразитных составляющих в спектре его выходного сигнала в соответствии с требованиями ТЗ либо нормативных документов на данный тип передатчика;

- иногда может понадобиться учет таких факторов, как скорость перестройки по частоте, скорость загрузки данных, энергопотребление микросхемы синтезатора и т.п.

Отдельно стоит сказать о применении для повышения рабочей частоты синтезаторов прямого цифрового синтеза, имеющих отдельные квадратурные ВЧ выходы сигнала, так называемых «квадратурных модуляторов» - специальных аналоговых микросхем, предназначенных для переноса рабочей частоты DDS вверх с подавлением частоты

8

гетеродина и зеркального канала. Существует целый ряд таких микросхем, причем каждая из них работоспособна в определенном диапазоне частот выходного сигнала; именно по этому диапазону, прежде всего, следует подбирать такой «квадратурный модулятор».

В качестве альтернативы для построения усилительного тракта из отдельных транзисторных каскадов можно рекомендовать применение монолитных усилительных модулей, нужно лишь подобрать модуль, подходящий по входной и выходной мощности, диапазону частот, напряжению питания, режиму работы (т.е. для амплитудно-фазовых видов модуляции, например, нельзя применять модули, транзисторы которых работают в нелинейном режиме); в спецификации усилительного модуля производителем всегда указывается, для какого класса сигналов данный модуль предназначен. В ряде случаев может оказаться, что входящая в состав модуля ВСФЦ удовлетворяет требованиям вашего ТЗ, что избавляет от необходимости применять отдельную ВСФЦ.

Внимание: для подтверждения правильности разработанной структурной схемы в приложении к курсовой работе необходимо привести страницы из технических описаний на все микросхемы и модули, использованные в передатчике (можно на английском языке). Разумеется, приводить нужно только те страницы, на которых имеется основная информация на каждую из микросхем (см. ниже).

Объем данного раздела – 3…5 листов с иллюстрацией, на которой показана полная структурная схема передатчика, снабженная необходимыми пояснениями, о которых речь шла выше.

4. Обмен информацией между цифровыми блоками передатчика. В данном разделе приводится алгоритм работы микроконтроллера, управляющего работой радиопередатчика, или его текстовое описание по пунктам. При составлении данного алгоритма требуется отразить основные операции, осуществляемые микроконтроллером, среди которых можно выделить следующие:

• получение и обработка входного сигнала, содержащего передаваемую в эфир информацию: описать алгоритм взаимодействия с АЦП (если он имеется в схеме), либо с компьютером, с датчиками и т.п.; указать скорость передачи поступающей информации, способ ее обработки в контроллере (если обработка осуществляется, а именно - накопление, фильтрация, сжатие, временное хранение до момента передачи в эфир); еще раз проверить выбор микроконтроллера с точки зрения достаточности объема оперативной памяти и скорости работы;

9

• алгоритм управления синтезатором частоты: указать способ загрузки синтезатора (параллельный или последовательный), какие линии синтезатора используются для передачи данных, для тактирования передачи и разрешения записи, скорость загрузки, обязательно привести соответствующие временные диаграммы загрузки данных в синтезатор; обязательно указать конкретные регистры синтезатора, используемые для загрузки данных о частоте и модуляции (если есть модуляция в синтезаторе); обязательно привести расчет кодовых слов, загружаемых в синтезатор для получения максимальной и минимальной частот рабочего диапазона;

• считывание данных с датчиков систем контроля параметров передатчика, обработка этих данных и выработка управляющих сигналов для регулирования соответствующих параметров каскадов передатчика, например: обработка напряжений детекторов прямой и обратной волны рефлектометра (расчет КСВ), уменьшение выходной мощности при повышении КСВ, включение соответствующего индикатора на приборной панели передатчика или отправка соответствующего сообщения в компьютер.

Ориентировочный объем данного раздела – 3…5 листов с двумя-тремя иллюстрациями.

5. Принципиальная схема передатчика. Задачей данного раздела является разработка полной принципиальной схемы передатчика (до последнего провода, до последнего резистора и конденсатора), но без расчета конкретных номиналов элементов схемы. На принципиальной схеме не должно быть элементов, характерных для структурной схемы – «прямоугольников», «треугольников» и им подобных графических обозначений, за которыми скрываются каскады или блоки.

Разумеется, принципиальная схема должна быть выполнена на основе разработанной в соответствии с ТЗ структурной схемой и не иметь с ней расхождений.

При разработке принципиальной схемы следует учитывать основные моменты, выясненные на этапе разработки структурной схемы, а также следующие особенности:

- способ подачи тактового сигнала на синтезатор частоты с целью уменьшения фазовых шумов в выходном сигнале синтезатора;

10

- схему согласующей цепи синтезатора со следующим каскадом, которым может быть транзисторный усилитель или квадратурный модулятор; необходимо применить такую схему, которая бы обеспечивала согласование сопротивлений на входе и выходе, частотную фильтрацию и питание выходного каскада синтезатора, о чем часто забывают (в зависимости от способа включения выходных транзисторов синтезатора, например – с открытым стоком и т.п.);

- способ подключения микроконтроллера к управляющим входам синтезатора частоты с целью правильной загрузки данных в последний;

- способ тактирования микроконтроллера, АЦП, ЦАП и прочих цифровых элементов схемы передатчика; по возможности нужно обходиться как можно меньшим количеством одновременно работающих в схеме генераторов тактовых колебаний;

- источники опорных напряжений для ЦАП и АЦП – выяснить, нельзя ли обойтись одним источником, если он внешний, либо внутренними источниками опорных напряжений, имеющихся на кристаллах самих микросхем;

- в ряде случаев можно использовать имеющиеся в составе микроконтроллера ЦАП и АЦП, не прибегая к использованию внешних ЦАП и АЦП;

- использовать интерфейс с компьютером, выполненный в виде специальной ИМС, не усложняя схему построением интерфейса из дискретных элементов.

Согласующие цепи между каскадами усилителя, не показанные на структурной схеме, обязательно должны быть выполнены на принципиальной схеме.

Расчет порядка ВСФЦ (ориентировочный) производится в этом же разделе исходя из требований к подавлению нежелательных спектральных составляющих (гармоник, субгармоник – исходя из требований ТЗ, ГОСТа или иных соответствующих нормативных документов), после чего выходная цепь помещается на схему.

Источники питания и стабилизаторы напряжения могли не присутствовать на структурной схеме, но для принципиальной схемы они обязательны. Разумеется, имеет смысл при возможности использовать типовые интегральные стабилизаторы напряжения. Желательно также следовать указаниям технической документации на синтезаторы частоты, АЦП и другие цифроаналоговые схемы, разделяя их цепи питания для цифровой и аналоговой частей. То же можно рекомендовать и для всей схемы передатчика в целом.

11

Входные и выходные сигналы, питающие напряжения, линии интерфейса с компьютером должны выводиться через соответствующие отдельные разъемы, начерченные в соответствии с ЕСКД. Недопустимо оставлять «в воздухе» не подключенные к разъемам контакты, даже если они снабжены соответствующими надписями.

Объем раздела – 2…4 листа, в том числе обязательная иллюстрация с полной и хорошо читаемой принципиальной схемой. Принципиальную схему передатчика следует отдельно распечатать на листе формата А3, что упростит процедуру защиты курсовой работы.

Недопустимо копирование схем отладочных плат или их частей из технической документации на микросхемы. Схема должна быть разработана и начерчена исполнителем курсовой работы лично!

6. Заключение. В заключении отмечается, что разработанный передатчик удовлетворяет всем (или основным) требованиям ТЗ. В случае неудачи при попытке добиться выполнения отдельных требований этому дается четкое техническое обоснование.

7. Список использованных источников, включающий как библиографическое описание книг, так и ссылки на Интернет-ресурсы или использованные файлы технической документации.

Пример ссылки на файл с документацией фирмы-производителя:

1. ADF4110/ADF4111/ADF4112/ADF4113 RF PLL Frequency Synthesizers. Analog Devices, Inc., 2001.

Пример ссылки на статью, опубликованную в сети Интернет:

2. Уолт Кестер, Джеймс Брайэнт. Аналого-цифровые преобразователи для задач цифровой обработки сигналов. www.analog.com.ru/public/3.pdf.

8. Приложения. Здесь приводятся распечатанные страницы из технических описаний на все микросхемы, использованные в передатчике. Разумеется, приводить нужно только те страницы, на которых имеется основная информация на каждую из микросхем:

- список основных параметров;

- внутренняя структурная схема;

- цоколевка;

- таблицы и графики, непосредственно использовавшиеся в расчетах;

12

- карты (таблицы) внутренних регистров программируемых ИМС, например – синтезаторов частоты, где можно отметить используемые регистры и записываемые в них значения;

- типовая схема включения.

Вносить в приложения технические описания на микросхемы целиком не рекомендуется, поскольку это свидетельствует об отсутствии личной проработки материала.