Курсовой УПиОС АМ / АМ — копия
.pdf
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования «СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРНОЙ ФИЗИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Кафедра «Радиоэлектронные системы»
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
Проектирование радиоприемного устройства с амплитудной модуляцией
Подп. и дата
Взам. инв. № |
|
|
|
|
. |
Преподаватель |
_________ |
Зандер Ф.В. |
|
дубл№. |
|
|
подпись, дата |
|
|
|
|
|
|
Инв |
Студент |
РФ15-34 |
|
Мутовин А.А. |
|
|
подпись, дата |
|
|
|
|
|
|
|
Подп. и дата |
|
|
|
|
. |
|
|
Красноярск 2019 |
|
Инв. № подл |
|
|
|
|
|
|
|
|
Содержание |
|
|
|
Введение......................................................................................................................... 3 |
|||||
|
1. Принципы построения радиоприемных устройства сигналов с АМ ................... 5 |
|||||
|
1.1 Особенности сигналов АМ................................................................................. 5 |
|||||
|
1.2 Помехи приему сигналов АМ ............................................................................ 6 |
|||||
|
|
1.2.1 Мультипликативные помехи....................................................................... 6 |
||||
|
|
1.2.2 Флуктуационные помехи............................................................................. 6 |
||||
|
|
1.2.3 Сосредоточенные по спектру помехи ........................................................ 6 |
||||
|
|
1.2.4 Импульсные помехи .................................................................................... 7 |
||||
|
1.3 Принципы построения устройства ПиОС с АМ .............................................. 8 |
|||||
|
2. Разработка технического здания ........................................................................... 14 |
|||||
|
3. Эскизный расчет структурной схемы приемника................................................ 15 |
|||||
|
3.1 Задачи расчета ................................................................................................... 15 |
|||||
|
3.2 Выбор значения промежуточной частоты...................................................... 15 |
|||||
|
3.3 Выбор избирательной системы тракта ПЧ ..................................................... 16 |
|||||
|
3.4 Определение числа и типа избирательных систем преселектора ................ 17 |
|||||
|
3.5 Выбор способа и элемента настройки............................................................. 18 |
|||||
|
3.6 Выбор детектора сигнала ................................................................................. 18 |
|||||
дата |
3.7 Выбор активных приборов ВЧ тракта ............................................................ 18 |
|||||
|
3.7.1 Определение требуемого усиления ВЧ тракта........................................ 18 |
|||||
. и |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
Подп |
|
3.7.2 Оценка коэффициента передачи входного устройства .......................... 19 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3.7.3 Выбор активного прибора УРЧ ................................................................ 19 |
||||
инв. № |
|
3.7.4 Выбор активного прибора ......................................................................... 20 |
||||
|
3.7.5 Определение структуры тракта УПЧ ....................................................... 20 |
|||||
Взам. |
3.8 Проверка реализации отношения сигнал/шум на выходе приемника......... 22 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
дубл. |
3.9 Выбор ИМС УЗЧ, динамической головки и узлов блока питания .............. 23 |
|||||
4. Расчет входного устройства ................................................................................... 23 |
||||||
. № |
4.1 Расчет контуров преселектора ......................................................................... 23 |
|||||
Инв |
|
4.1.1 Выбор схемы контуров .............................................................................. 23 |
||||
|
|
|||||
|
|
4.1.2 Расчет емкостей контура ........................................................................... 24 |
||||
Подп. и дата |
|
|
|
КП-11.05.01 ПЗ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Лит Изм. |
№ докум. |
Подп. |
Дата |
|
|
подп |
Разраб. |
МАлександр |
|
Лит |
Лист |
Листов |
Пров. |
Зандер Ф.В. |
|
Устройство приема и |
2 |
54 |
|
№ |
Т. контр. |
|
|
обработки сигнала с АМ |
|
|
Инв. |
Н. контр. |
|
|
Каф. РЭС |
||
|
|
|
||||
Утв. |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
4.1.3 Расчет полосы пропускания и проводимости контура........................... |
24 |
|
|
4.2 |
Выбор схемы входного устройства ................................................................. |
25 |
|
4.3 |
Расчет схемы ВЦ ............................................................................................... |
26 |
|
4.3.1 Исходные данные ....................................................................................... |
26 |
|
|
4.3.2 Определение элементов связи контура с АП1 ........................................ |
27 |
|
|
4.3.3 Определение элементов связи контура при Za = χa .............................. |
27 |
|
|
4.3.4 Расчёт результирующих характеристик входного устройства ............. |
28 |
|
5. |
Расчет УРЧ и общих характеристик преселектора.............................................. |
29 |
|
|
5.1 |
Порядок расчета ................................................................................................ |
30 |
|
5.2 |
Расчет резонансного коэффициента усиления УРЧ ...................................... |
31 |
|
5.3 |
Расчет элементов цепей питания ..................................................................... |
34 |
|
5.4 |
Расчет характеристик избирательности преселектора.................................. |
35 |
6. |
Расчет преобразователя частоты ........................................................................... |
36 |
|
|
6.1 |
Варианты построения схемы преобразователя частоты ............................... |
36 |
|
6.2 |
Расчет подключения нагрузки к преобразователю частоты......................... |
37 |
7. |
Расчет гетеродина.................................................................................................... |
38 |
|
8. |
Расчет детектора радиосигнала ............................................................................. |
41 |
|
|
8.1 |
Расчет диодного детектора АМ сигнала......................................................... |
41 |
9. |
Расчет тракта промежуточной частоты ................................................................ |
44 |
|
|
9.1 |
Исходные данные для расчета УПЧ............................................................... |
44 |
|
9.2 |
Расчет резонансного каскада УПЧ .................................................................. |
46 |
|||
дата |
9.3 |
Расчет резистивного каскада УПЧ .................................................................. |
49 |
|||
. и |
9.4 |
Расчет общих характеристик тракта УПЧ |
51 |
|||
Подп |
||||||
Заключение |
|
|
52 |
|||
|
|
|
||||
|
Список использованной литературы......................................................................... |
53 |
||||
Взам. инв. № |
|
|
|
|
|
|
Инв. № дубл. |
|
|
|
|
|
|
Подп. и дата |
|
|
|
|
|
|
№ подп |
|
|
|
КП-11.05.01 ПЗ |
Лист |
|
Инв. |
|
|
|
3 |
||
Лит |
Изм. |
№ докум. |
Подп. |
Дата |
|
|
Введение
Радиоприёмные устройства являются одной из наиболее важных составных частей радиосистем. При этом следует отметить, что качественные показатели приёмных устройств во многом определяют характеристики радиосистем в целом.
Радиоприёмным устройством называется совокупность элементов, необходимых для того, чтобы могло быть должным образом воспроизведено сообщение, заключённое в приходящем к месту приёма высокочастотных сигналов передатчика.
Радиотракт приёмника обеспечивает решение следующих задач:
|
|
|
|
|
1. избирательность - выделение полезного сигнала на фоне помех; |
|
|
|
|
|
|
2. усиление принятого полезного сигнала до уровня, требуемого для |
|
|
|
|
|
|
срабатывания оконечного регистратора; |
|
|
|
|
|
|
3. преобразование полезного сигнала с целью выделения информации в виде |
|
|
|
|
|
|
сигнала низкой (видео) частоты. |
|
|
|
|
|
|
Приёмник прямого усиления не может обеспечить одновременно высокую |
|
|
|
|
|
|
чувствительность и высокую избирательность. Недостатки приёмника прямого |
|
|
|
|
|
|
усиления устраняются в супергетеродинном приёмнике, в котором основное |
|
|
|
|
|
|
усиление и избирательность происходят на сравнительно низкой промежуточной |
|
|
|
|
|
|
частоте. В настоящее время почти все приёмники строятся по супергетеродинной |
|
|
|
|
|
|
схеме с одним или двумя-тремя преобразованиями частоты. |
|
|
|
|
|
|
В данной курсовой работе рассчитан также приёмник супергетеродинного |
|
|
|
|
|
|
типа. |
|
|
|
|
|
|
Входная цепь служит для выделения полезного сигнала из радиоэфира и |
|
|
|
|
|
|
ослабления сигналов других станций. Особое требование ко входной цепи – она |
|
|
|
|
|
|
||
|
дата |
|
|
должна подавить «помехи по зеркальному каналу». Усилитель радиочастоты |
||
|
|
|
усиливает поступающий из входной цепи сигнал и осуществляет дополнительное |
|||
|
. и |
|
|
ослабление величины сигналов мешающих станций, |
главным образом, тоже |
|
|
Подп |
|
|
|||
|
|
|
«зеркальных». Преобразователь частоты, состоящий из смесителя и гетеродина, |
|||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
производит перенос спектра сигнала с несущей частоты на более низкую |
|
|
|
|
|
|
промежуточную. Усилитель промежуточной частоты |
осуществляет основное |
|
. № |
|
|
|||
|
|
|
усиление сигнала и обеспечивает избирательность |
по «соседнему» каналу. |
||
|
инв |
|
|
|||
|
|
|
Детектор выделяет из модулированного сигнала промежуточной частоты сигнал, |
|||
|
Взам. |
|
|
|||
|
|
|
изменяющийся по закону модулирующего колебания. Далее следует усилитель |
|||
|
|
|
|
|
сигнала, поступающего с выхода детектора, до величины, необходимой для |
|
|
. |
|
|
|
||
|
|
|
|
срабатывания оконечного устройства. |
|
|
|
Инв. № дубл |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
Подп. и дата |
|
|
|
|
|
№ подп |
|
|
|
КП-11.05.01 ПЗ |
Лист |
Инв. |
|
|
|
4 |
|
Лит |
Изм. |
№ докум. |
Подп. |
Дата |
|
1. Принципы построения радиоприемных устройства сигналов с АМ
1.1 Особенности сигналов АМ
Амплитудная модуляция относится к прямым аналоговым видам модуляции. Особенности сигналов с амплитудной модуляцией состоят в следующем.
Достоинства: простота реализации системы и сравнительно небольшая ширина спектра излучаемых колебаний.
Недостатки большая ширина спектра по сравнению с сигналами с однополосной модуляцией; низкая помехоустойчивость, которая вызвана нерациональным использованием мощности сигнала, значительная часть которой тратиться на излучение несущей частоты, не содержащей информации о передаваемом сообщении.
В аналитической форме АМ сигнал, модулированный одним тоном, представляется следующим образом:
( ) = ∙ (1 + ∙ ( ∙ )) ∙ ( ∙ ),
где – амплитуда несущей частоты сигнала, – коэффициент модуляции, – угловая частота модуляции, – угловая несущая частота.
При модуляции чистым тоном с частотой м спектр сигнала состоит из трех спектральных составляющих: на частотах − м; ; + м.
Подп. и дата |
|
Рисунок 1 – Спектр АМ сигнала при модуляции чистым тоном |
|
||
|
|
|
|||
№ |
|
В случае модуляции несколькими частотами ширина спектра АМ: |
|
||
инв. |
|
|
|
|
|
Взам. |
|
|
|
сп.ам = 2 ∙ макс, |
|
. |
где макс – максимальная модулирующая частота. |
|
|||
Инв. № дубл |
|
|
|
|
|
Подп. и дата |
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 2 – Спектр АМ сигнала при модуляции несколькими частотами |
|
||
№ подп |
|
|
|
КП-11.05.01 ПЗ |
Лист |
Инв. |
|
|
|
5 |
|
Лит |
Изм. |
№ докум. |
Подп. |
Дата |
|
1.2 Помехи приему сигналов АМ
1.2.1 Мультипликативные помехи
В общем виде высокочастотные колебания, действующие на входе радиоприемного устройства и представляющие собой смесь сигнала и помех.П.( ), при достаточно общих приближениях можно представить в виде:
.П.( ) = ( ) .ПЕР.( ) + П( ),
где ( ) – коэффициент, характеризующий мультипликативную помеху,.ПЕР.( ) – передаваемый сигнал, П( ) – аддитивная помеха.
Мультипликативная помеха, т.е. помеха, непосредственно воздействующая на структуру самого сигнала, возникает в радиосистемах в тех случаях, когда характеристики канала передачи вследствие каких-то случайных причин изменяются во времени.
1.2.2 Флуктуационные помехи
|
|
Аддитивные помехи по электрической и статистической структуре делятся |
|||
|
на сосредоточенные по спектру, импульсные и флуктуационные. |
|
|||
|
|
Классификация помех по источнику возникновения и диапазоны частот, где |
|||
|
они действуют, приведены на рисунке 3. Таким образом, для разрабатываемых в |
||||
|
курсовом проекте основными видами помех будут: атмосферные, |
||||
|
индустриальные и помехи от посторонних радиостанций. |
|
|||
Подп. и дата |
|
|
|
|
|
Взам. инв. № |
|
|
|
|
|
Инв. № дубл. |
|
|
|
Рисунок 3 – Классификация помех |
|
|
|
|
|
|
|
. и дата |
|
1.2.3 Сосредоточенные по спектру помехи |
|
||
|
Сосредоточенные помехи представляют собой совокупность независимых |
||||
Подп |
|
||||
гармонических колебаний с различными амплитудами, частотами и фазами: |
|
||||
|
|
||||
№ подп |
|
|
|
КП-11.05.01 ПЗ |
Лист |
Инв. |
|
|
|
6 |
|
Лит |
Изм. |
№ докум. |
Подп. |
Дата |
|
П( ) = ∑ ( + ),
1
где = 1,2, … , – амплитуда (случайная величина), – фаза (случайная величина).
Считаем, что амплитуды взаимно независимы, а фазы равномерно распределены в интервале 0-2π и также взаимно независимы друг от друга.
Статистические свойства сосредоточенных помех описываются их распределением по частоте и по уровню. Во многих случая можно считать распределение по частоте равномерным, а распределение уровня (квадрата амплитуды) отдельных помех во времени – логарифмически нормальными.
Атмосферные помехи являются типичным видом квазиимпульсных помех. Они представляют собой временную реализацию последовательности импульсов, случайно распределенных по амплитуде и по времени. Атмосферные помехи можно представить в виде двух составляющих: флуктуационной с гауссовским законом распределения и более мощной импульсной негауссовской. Многие виды индустриальных помех относятся к импульсным помехам.
1.2.4 Импульсные помехи
|
|
Импульсная помеха – это регулярная, а чаще хаотическая |
|||||
|
последовательность кратковременных импульсов, длительность которых меньше, |
||||||
|
а интервал следования больше длительности периодических процессов в тракте |
||||||
|
приемника. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Типичной формой импульсных помех является апериодическая помеха, |
|||||
. и дата |
изменяющаяся по экспоненциальному закону: |
|
|||||
|
|
|
{ п( ) = п |
|
при ≥ 0 |
|
|
Подп |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
п( ) = 0 |
|
при < 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
инв. № |
|
Модуль спектрально плотности |
|
|
|||
|
|
|
|
|
п |
|
|
Взам. |
|
|
|
( ) = |
|
||
|
|
|
√2 + 2 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
дубл№. |
|
Фаза спектральной плотности |
|
|
|||
|
|
|
|
||||
Инв |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( ) = ( ) |
|
|||
|
|
|
|
|
|||
и дата |
|
Закон распределения амплитуды такой помехи определяется |
|||||
логарифмически-нормальным законом. |
|
|
|||||
. |
|
Распределение фаз равновероятно на интервале от 0 до 2π. |
|
||||
Подп |
|
|
|
|
|
|
|
№ подп |
|
|
|
|
|
КП-11.05.01 ПЗ |
Лист |
Инв. |
|
|
|
|
|
7 |
|
Лит |
Изм. |
№ докум. |
Подп. |
Дата |
|
|
|
Инв. № дубл. Взам. инв. № Подп. и дата
Подп. и дата |
Инв. № подп |
1.3 Принципы построения устройства ПиОС с АМ
В общем виде структурная схема радиоприемного устройства может быть представлена в виде пяти функциональных блоков (рисунок 4).
При малом уровне помех практически потенциальную помехоустойчивость обеспечивает информационный тракт, построенный по схеме на рисунке 5. Графики, характеризующие помехоустойчивость приемника АМ-сигналов в зависимости от индекса модуляции, представлены на рисунке 6.
Рисунок 4 – Структурная схема радиоприемного устройства
УТ – усилительно-преобразовательный тракт (в нем проводится предварительная обработка сигнала: фильтрация, преобразование частоты, усиление);
ИТ – информационный тракт (в нем проводится основная обработка сигнала: оптимальный или квазиоптимальный фильтр, демодулятор сигнала, цепи последетекторной обработки; в состав информационного тракта могут также входить вспомогательные устройства – системы АРУ, АПЧ);
БФГЧ – блок формирования гетеродинных частот; УУО – устройство управления и отображения (позволяет оператору
вручную управлять приемным устройством или в автоматическом режиме реализует заданный алгоритм работы, а также производит отображение состояния и качества работы устройства на соответствующих индикаторах);
ВИП – вторичный источник питания (преобразование энергии первичного источника, например, сети 220 В или бортовой сети, в форму, удобную для использования непосредственно в приемном устройстве).
Рисунок 5 – Структурная схема информационного тракта при полностью известном сигнале при большом отношении сигнал/шум
|
|
|
|
|
Лист |
Лит |
Изм. |
№ докум. |
Подп. |
КП-11.05.01 ПЗ |
8 |
Дата |
|
|
|
Рисунок 6 – График характеризующий помехоустойчивость при АМ |
|
|||
|
|
При построении приемника АМ-сигналов по схеме на рисунке 4 ширина |
||||
|
полосы пропускания полосового фильтра и фильтра нижней частоты выбирается |
|||||
|
равной соответственно ширине спектра модулированного сигнала и верхней |
|||||
|
частоте сообщений. |
|
|
|||
|
|
В большинстве случаев радиоприемные устройства АМ сигналов |
||||
|
выполняются по супергетеродинной схеме. Основная особенность такой схемы |
|||||
|
состоит в том, что в радиотракте помимо усиления сигнала происходит и |
|||||
|
преобразование частоты принятого радиоколебания. Преимуществами |
|||||
|
супергетеродинного приемника по сравнению с приемником прямого усиления |
|||||
|
являются: |
|
|
|
||
дата |
|
1. Обеспечение |
значительно лучшей фильтрации сигнала от |
помех |
||
(результирующая АЧХ радиотракта приемника определяется в основном АЧХ |
||||||
. и |
селективных цепей тракта промежуточной частоты; поскольку этот тракт не |
|||||
Подп |
перестраивается, то в нем можно использовать сложные резонансные цепи с АХЧ, |
|||||
|
||||||
|
близкой к идеальной). |
|
|
|||
. № |
|
2. Практическая |
неизменность основных показателей радиотракта при |
|||
перестройке, |
так как |
они в основном определяются показателями |
тракта |
|||
инв |
||||||
промежуточной частоты, настроенного на постоянную частоту ( пр). |
|
|||||
Взам. |
|
|||||
|
3. Возможность обеспечения более высокого усиления, так как на более |
|||||
|
|
|||||
. |
низкой частоте, что характерно для промежуточной частоты, паразитная связь |
|||||
между выходом и входом усилителя проявляется слабо. |
|
|||||
Инв. № дубл |
|
Недостатки: наличие побочных каналов приема и паразитного излучения с |
||||
|
частотой гетеродина на входе приемника. |
|
||||
|
|
Если частоту гетеродина в супергетеродинном приемнике выбрать равной |
||||
и дата |
частоте принимаемого сигнала, то промежуточная частота будет равна нулю. При |
|||||
этом в приемнике обеспечивается прямое преобразование частоты радиосигнала |
||||||
. |
|
|
|
|
|
|
Подп |
в низкую звуковую без предварительного переноса её на промежуточную частоту. |
|||||
Подобные приемники получили название приемники прямого преобразования |
||||||
|
||||||
|
(синхродины, |
гомодины). В таких приемниках подавление помех и основное |
||||
№ подп |
|
|
|
КП-11.05.01 ПЗ |
Лист |
|
Инв. |
|
|
|
9 |
||
Лит |
Изм. |
№ докум. |
Подп. |
Дата |
|
|
Инв. № дубл. Взам. инв. № Подп. и дата
Подп. и дата |
Инв. № подп |
усиление сигнала осуществляется в основном на низкой частоте, что реализуется значительно проще и дешевле. Побочные каналы в приемнике прямого преобразования остаются лишь на частотах 2пр , 3при т.д., т.е. лишь на частотах гармоник гетеродина. Эти каналы легко подавляются простейшей одноконтурной цепью.
Однако при приеме АМ-сигнала в приемнике прямого преобразования после преобразователя частоты появляются звуковые сигналы от двух боковых полос, которые могут различаться по частоте, что приводит к искажению принимаемого сигнала, такие приемники в большей степени подвержены действию различных помех и наводок.
Возможны следующие варианты реализации структурной схемы радиоприёмного устройства:
а) приёмники прямого усиления (без регенерации, с регенерацией, со сверхрегенерацией);
б) супергетеродинные приёмники; в) инфрадины; г) синхродины.
Приёмники прямого усиления относительно просты в реализации, но имеют низкую избирательность и чувствительность. Низкая избирательность объясняется невозможностью применения высокоэффективных фильтров (перестраиваемых пьезокерамических фильтров нет). Усиление на принимаемой радиочастоте даёт низкую чувствительность. Увеличение чувствительности дают схемы с регенерацией и сверхрегенерацией (при той же избирательности), но при этом наблюдается большое искажение сигнала, нестабильность работы и опасность проникновения усиленных колебаний в антенну.
В супергетеродинных приёмниках появляется дополнительная функция преобразования частоты, и это позволяет улучшить основные характеристики приёмника. Переход к промежуточной частоте позволяет производить на ней более эффективное усиление и применять высокоэффективные фильтры (так как эта частота всегда постоянна). Недостатки заключаются в наличии дополнительных и интермодуляционных каналов приёма.
Следующие достоинства этой схемы позволяют остановить выбор структурной схемы именно на ней:
1. Высокая избирательность.
2. Возможность получения высокого коэффициента усиления до детектора благодаря низкой промежуточной частоте.
3. Более высокая стабильность этих параметров при перестройке приёмника на другую частоту.
В инфрадинах преселектор заменяется на неперестраиваемый фильтр нижних частот. Побочные каналы приёма находятся за частотами работы, так какпр . Недостатком является повышенное требование к линейности преселектора (помехи, попавшие в ФНЧ, могут перегрузить его).
В синхродинах используется прямое преобразование частоты сигнала, т. е. преобразование в нулевые частоты. Особенность этого приёмника заключается в использовании синхронного детектора, который и является его минусом, так как
|
|
|
|
|
Лист |
Лит |
Изм. |
№ докум. |
Подп. |
КП-11.05.01 ПЗ |
10 |
Дата |
|