Приемник радиостанции

Полоса пропускания линейного тракта определяется не только полосой, занимаемой полезным сигналом, она также должна учитывать различные дестабилизирующие факторы и выбираться с некоторым запасом.

Полоса пропускания приемника

,

где - ширина спектра сигнала,

- нестабильность сигнала.

Диапазон модулирующих частот , выберем среднюю девиацию частоты сигнала чтобы при заданных параметрах и расчетное значение полосы частот укладывалось в заданную расстройку (разнесение) между соседними каналами , тогда индекс модуляции равен

Реальная ширина спектра сигнала зависит от вида исходного сигнала, параметров модуляции и допустимых искажений. Для случая приема непрерывных сигналов с частотной модуляцией ширину спектра частот следует определять по формуле Манаева, причем при расчете устройств связи, где , (По заданию =11%) можно воспользоваться укороченным вариантом формулы: .

Формула Манаева:

кГц

Нестабильность сигнала на приемной стороне определяется нестабильностью несущей, нестабильностью частоты гетеродина и нестабильностью избирательных систем (контуров и ФСС)

, где

- нестабильность несущей частоты сигнала;

и - нестабильности частот гетеродина;

- нестабильность частоты избирательных систем;

Расчет запаса по полосе пропускания требует знания частот гетеродина. Определим необходимые частоты гетеродина, исходя из ранее найденных значений промежуточных частот и известной частоты принимаемого сигнала.

МГц.

МГц.

Примем относительную нестабильность на градус Цельсия ,

- полный температурный диапазон (равный 63 градусам)

Нестабильностью избирательных систем на первом этапе расчёта можно пренебречь.

Получим следующую ширину полосы пропускания приемника

Запас частоты:

Коэффициент расширения

.

Так как коэффициент расширения мал, т. е. уход частоты не значителен, то применение системы АПЧ нецелесообразно.

Коэффициент перекрытия диапазона

Коэффициент достаточно мал, поэтому разбивку на поддиапазоны производить не будем. Перестройка приемника будет производиться при помощи варикапа.

2.3 Определение максимально допустимого коэффициента шума приемника при заданной чувствительности

1) Рассчитаем допустимое значение коэффициента шума приемника.

По техническому заданию отношение сигнал/шум на выходе приемника SINAD=11 дБ. Поскольку SINAD представляет собой отношение , то отношение , можно считать на 1-цу меньше, если считать в разах. Таким образом,

Отношение с/ш можно определить, зная отношение сигнал/шум на выходе приемника и величину выигрыша в отношении с/ш при использовании ЧМ ().

Выигрыш в ОСШ по амплитуде и по мощности

- по амплитуде;

- по мощности;

Отсюда отношение сигнал/шум на входе детектора в разах:

Определим минимальную мощность сигнала на входе (так как просчитывается наихудший случай); по требованию технического задания :

Здесь - волновое сопротивление антенно-фидерного тракта .

Найдем эффективную шумовую полосу, определяемую полосой пропускания линейного тракта: .

Тогда мощность шума на входе будет равна:

Здесь: - постоянная Больцмана, ;

-максимальная температура в Кельвинах,

Теперь можно вычислить отношение сигнал/шум на входе:

В итоге получаем максимально допустимый коэффициент шума в разах:

3. Выбор и обоснование структурной схемы

С учетом требований к современной элементной базе, а также требований к принимаемому числу каналов, управление перестройкой гетеродина целесообразно осуществлять при помощи синтезатора сетки частот.

В соответствии с техническим заданием шаг сетки должен быть равен 50 кГц, а перестройка должна производится в диапазоне 419-420 МГц.

Поскольку первая и вторая ПЧ неизменны, то частота второго гетеродина фиксирована

Избирательность по зеркальному каналу осуществляется одновременно входной (ВЦ) цепью и избирательной нагрузкой УРЧ в виде фильтра радиочастоты (ФРЧ). Это объясняется малой величиной диапазона частот принимаемого сигнала по сравнению с несущей частотой, т.е. возникает сложность точного изменения емкости в таком малом диапазоне (изменение емкости варикапа - менее 1пФ).

В качестве фильтра первой промежуточной частоты используется монолитный кварцевый фильтр, который обеспечивает, совместно с фильтром второй промежуточной частоты, избирательность по дополнительным каналам приема (в частности по соседнему каналу). На вторую промежуточную частоту обычно выбираются недорогие керамические фильтры со сравнительно невысокой избирательностью, поскольку большая часть задачи подавления соседнего канала решается кварцевым ФПЧ1.

Для устранения паразитной амплитудной модуляции сигнала при детектировании ЧМ-сигналов перед частотным детектором (ЧД) ставится усилитель-ограничитель (УО).

3.1 Избирательность по ЗК и СК

Данные избирательности будут определяющими при выборе схемы построения преселектора.

По зеркальному каналу:

Определяем обобщенную расстройку зеркального канала при нижней настройке гетеродина, эквивалентное затухание [2]:

По графику 1.7 [2], нормированные частотные характеристики преселекторов, находим избирательность: для схемы №4, что и требовалось в техническом задании.

Вывод: избирательность по зеркальному каналу схемой обеспечивается.

По соседнему каналу:

Определяем обобщённую расстройку для соседнего канала:

, где

- расстройка для соседнего канала (50 кГц).

- обобщенная расстройка для краёв полосы пропускания:

Вывод: Входная цепь не обеспечивает избирательность по соседнему каналу и не искажает спектр принимаемого сигнала. Для обеспечения избирательности будем использовать фильтры, о которых было сказано выше.

3.2 Распределение усиления по каскадам Описанная структурная схема изображена на рис.1.

Рис. 1 Структурная схема приёмника.

4. Расчёт преселектора.

4.1 Расчет входной цепи

Входная цепь в приёмнике необходима для передачи принимаемого сигнала из антенны в последующие каскады. Она содержит избирательный элемент (контур или фильтр), который ослабляет помехи побочных каналов и сильные внешние помехи, уменьшая при этом такие нелинейные эффекты, как перекрестная модуляция, интермодуляция.

Часто в качестве избирательного элемента используется одиночный колебательный контур. Поскольку приёмник работает в метровом диапазоне волн, в котором помехи вызваны в большей мере активными элементами, то входную цепь (ВЦ) делаем не перестраиваемой, и предполагаем, что работаем с настроенной антенной, в результате реализуем цепь в виде колебательного контура с двойной автотрансформаторной связью (Рис.2).

Рис. 2 Схема входной цепи.

Эквивалентная схема входной цепи с двойным автотрансформаторным включением изображена на (Рис.3).

Рис. 3 Эквивалентная схема входной цепи.

- рабочий частотный диапазон ,

- проводимость антенны ; ;

- входная проводимость следующего каскада (см. расчет УРЧ)

Максимальный коэффициент передачи достигается при согласовании контура входной цепи с антенной или входной проводимостью следующего каскада. Но обеспечить одновременное оптимальное согласование контура и со стороны антенны, и со стороны входа следующего каскада - невозможно. Поэтому так как , то обеспечим оптимальное согласование с антенной, задавшись значением , и рассчитаем значение .

Определим параметры контура, для чего зададимся величиной емкости контура.

.

Рассчитаем значение индуктивности контура:

Определим индуктивность катушки связи:

Избирательность входной цепи определяется эквивалентной добротностью , которая зависит от коэффициентов включения и .

, где при , при , .

, отсюда

Характеристическое сопротивление контура: .

Проводимость ненагруженного контура:

Зададимся коэффициентом включения

Эквивалентное затухание контура: .

Рассчитаем коэффициент включения :

.

Для снижения паразитной ёмкости между и коэффициент связи между ними, обеспечивая согласование, должен быть наименьшим. Вычисляем минимальный коэффициент связи, при котором обеспечивается согласование:

, где

Рассчитаем коэффициент передачи напряжения входной цепи:

, где

- коэффициент передачи собственно входной цепи при согласовании:

- коэффициент передачи фидера, определяемый из рис.4.46 [2] по произведению:

, где

- затухание в фидере;

- длина фидера;

Рассчитаю избирательность по зеркальному каналу.

Обобщенная расстройка

4.2 Реализация устройства на современной элементной базе

Выбор интегральных микросхем

Проектирование с использованием современной элементной базы предполагает интеграцию различных функциональных звеньев приемника в корпусах отдельных микросхем. При этом большее число блоков в одной микросхеме, то есть более высокая степень интеграции ведёт к снижению цены конечного устройства и улучшению его массо-габаритных параметров. Соответственно разработчику следует выбирать ИМС, ориентируясь на этот принцип.

Для тракта радиочастоты выпускаются так называемые “front-end” схемы, которые помимо УРЧ могут также включать смеситель и ГУН, образующий вместе с синтезатором частоты первый гетеродин. Кроме этого, для реализации сетки частот с заданным шагом 50 Гц потребуется отдельная микросхема синтезатора частоты.

Существуют специальные микросхемы, используемые для построения беспроводных устройств радиоприема аналоговых речевых сигналов, передаваемых по радиоканалу посредством узкополосной частотной модуляции. В частности производятся ИМС узкополосных радиоприемников с однократным преобразованием частоты, которые можно использовать и в качестве тракта второй ПЧ в приемнике с двумя преобразованиями. Такие схемы часто содержат смеситель, ГУН, усилитель ПЧ с функциями ограничения сигнала, а также квадратурный частотный детектор; для их функционирования требуется минимум навесных элементов.

Связующим звеном между схемой “front-end” и схемой тракта второй ПЧ, может служить интегральный УПЧ, способный работать на первой промежуточной частоте. Существуют схемы подобных УПЧ как с АРУ, так и без неё. УПЧ следует выбирать так, чтобы он обеспечивал на входе следующей микросхемы сигнал, превышающий порог её чувствительности.

Таким образом, для выполнения поставленной задачи потребуются микросхемы тракта радиочастоты, тракта первой промежуточной частоты, тракта второй промежуточной частоты, а также микросхема УНЧ, служащая для усиления звукового сигнала до необходимой величины.

В соответствии с техническим заданием можно сформулировать общие требования, которым должны удовлетворять все используемые в устройстве микросхемы: их корпуса должны быть приспособлены для поверхностного монтажа, а сами микросхемы должны нормально функционировать в диапазоне температур -30..+50 C.

Частные же требования будут относиться к рабочим частотам, необходимому усилению, работе с заданным динамическим диапазоном сигнала. Кроме того, тракт радиочастоты должен обладать определёнными шумовыми свойствами, обеспечивающими заданную чувствительность, а детектор должен работать с заданной полосой пропускания.

В соответствии с вышеизложенными условиями выберу следующие микросхемы:

1. MC13142D

Данная микросхема включает в себя усилитесь радиочастоты (УРЧ), первый смеситель (СМ1) и генератор управляемый напряжением (Г1).

Основные параметры:

- диапазон рабочих частот0..1,8 ГГц

- диапазон частот ГУН 0..1,8 ГГц

- диапазон ПЧ 0..1,8 ГГц

- напряжение питания 2,7..6,5 В

- входное сопротивление УРЧ50 Ом

- выходное сопротивление смесителя800 Ом

- усиление УРЧ по мощности 17 дБ

- точка компрессии 1 дБ -15 дБм

- коэффициент шума УРЧ1,8 дБ

- коэффициент шума смесителя12 дБ

- диапазон рабочих температур-

2. ADF4110

На этой микросхеме реализуем синтезатор сетки частот.

Основные параметры:

- максимальная частота 550 МГц

- напряжение питания 2,7..6 В

- программируемый ДПКД 8/9, 16/17, 32/33, 64/65

- диапазон рабочих температур

3. CA3127

Используем данную микросхему как усилитель первой промежуточной частоты (УПЧ1).

Основные параметры:

- напряжение питания

- полоса пропускания 500 МГц

- коэффициент усиления 8..34 дБ

- точка компрессии 1 дБ -13 дБм

- входное сопротивление 400 Ом

- выходное сопротивление 4.6 Ом

- диапазон рабочих температур

4. MC13150FTA

Микросхема супергетеродинного приемника с одним преобразованием частоты. Включает в себя второй смеситель (СМ2), усилитель второй промежуточной частоты (УПЧ2), второй гетеродин (Г2), усилитель-ограничитель (УО) и частотный детектор (ЧД).

Основные параметры:

- напряжение питания

- диапазон рабочих частот 10..500 МГц

- чувствительность 11 дБ по SINA -100 дБм

- точка компрессии 1 дБ -11 дБм

- усиление УПЧ 42 дБ

- усиление УО 96 дБ

- регулируемая рабочая полоса детектора 0..70 кГц

- диапазон рабочих температур

5. NJM2113V

На данной микросхеме реализуем усилитель низкой частоты (УНЧ).

Основные параметры:

- входное сопротивление Rвх 1кОм

- напряжение питания

- коэффициент усиления 83 дБ

- диапазон регулировки коэффициента усиления 0..43 дБ

- максимальный выходной ток 0,25 А

- выходная мощность Vсс = 6 B, RL = 32 Ом) 250 мВт

- диапазон рабочих температур

Для реализации полноценного устройства вместе с рассмотренными микросхемами предполагается использовать следующие фильтры:

1. ФП2П6

Монолитный кварцевый фильтр 2-го порядка. Служит фильтром первой промежуточной частоты (ФПЧ1).

Основные параметры:

- центральная частота

- ширина полосы пропускания по уровню - 3 дБ 11 кГц

- ширина полосы пропускания по уровню -60 дБ 90 кГц

- гарантируемое затухание 65 дБ

- диапазон рабочих температур

2. CFUKF455KC4X-R0 (2 шт.)

Керамический фильтр. Используется в качестве фильтра второй промежуточной частоты (ФПЧ2).

Основные параметры:

- центральная частота

- полоса пропускания -6 дБ

- затухание при расстройке -40 дБ

- минимальное гарантированное

затухание -25 дБ

- максимальные потери -6 дБ

- неравномерность 1 дБ

- диапазон рабочих температур

4.3 Расчет частотного детектора

Исходными данными для расчета детектора являются:

1) нижняя Fмин и верхняя Fмакс частоты модулирующего сигнала (определены заданием);

2) максимальный коэффициент модуляции mмакс сигнала (mмакс=0.75…0.85);

3) амплитуда напряжения Uм.вх.УНЧ на входе УНЧ;

4) входное сопротивление Rвх.УНЧ первого каскада УНЧ (определенное выбором соответствующего типа транзистора или ИМС );

5) минимально допустимое входное сопротивление детектора Rвх.д (обычно Rвх.д = 3,8…5 кОм);

6) промежуточная частота fпч приемника.

Зададимся параметрами для расчета: mмакс=0.8; Rвх.д=4,5 кОм.

В качестве УНЧ выберем ИМС NJM2113V, входное сопротивление которой Rвх.УНЧ=1 кОм

Принципиальная схема детектора с последним каскадом УПЧ приведена на рисунке:

Схема дифференциального детектора

В схеме Rвх УНЧ и Свх УНЧ представляют собой полное входное сопротивление последующего каскада и определяются выбором соответствующего типа транзистора или ИМС в первом каскаде УНЧ.

Фильтр нижних частот (Rф1 , Cф1), включенный на выходе частотного детектора, выполняет следующие функции:

- обеспечивает дополнительную фильтрацию напряжения промежуточной частоты fпч на входе УНЧ;

- формирует полосу пропускания УНЧ, согласованную со спектром модулирующего сигнала;

- осуществляет коррекцию предыскажений, вводимых в ЧМ сигнал на передающей стороне для повышения помехозащищенности

Постоянная времени фильтра коррекции в радиовещательных приемниках выбирается в пределах

ф = Rф1 • Cф1 =50…100 мкс

В качестве диодов VD1 и VD2 выбираем диоды 2Д114В5 с параметрами:

Справочник по диодам

Определим Ri диодов: Uпр/ Iпр=1/0,018=58,8 Ом.

Минимально допустимое входное сопротивление детектора принимаем Rвх.д=4,3 кОм (обычно Rвх.д = 3,8…5 кОм)

Rвх.д / =76,5

По графикам (рис.3) определим коэффициент передачи диодных детекторов КД

Рис.3 Графики определения Кд, Rвх.д, Ri

Кд?0,91

Коэффициент передачи детектора ЧМС можно оценить по формуле:

КдЧМС = Кд Rвх УНЧ 0,7 / (Rвх УНЧ + RФ1),

можно принять RФ1 Rвх УНЧ .

3. Сопротивление нагрузочных резисторов определяется из соотношения:

R1 = R2 (0,8…1,2) (RФ1 + Rвх УНЧ) .

4. Эквивалентное затухание контуров частотного детектора при критической связи между контурами:

э (4…5) 2 fпч / fпч ;

5. Эквивалентная емкость контуров определяется равенством:

Сэ мкФ 0,0003 / fпч кГц.

6. Индуктивность контурных катушек определяется по формуле:

Lк1 = Lк2 = 1 / (2 fпч)2 Сэ

7. Емкости конденсаторов контуров определяются равенствами:

Ск1 = Сэ - СL - 0,09 (См + С22);

Ск2 = Сэ - СL - 0,09 (См + 0,5Сд);

где СL - межвитковая емкость катушек (0,5…1 пФ);

См - емкость монтажа (2…5 пФ);

Сд - емкость диодов.(1пФ)

Ск1 = 0.6*10-12 - 1*10-12 - 0,09 *5*10-12=0,85 пФ

Ск2 = 0,6*10-12 - 1*10-12 - 0,09 (5*10-12 + 0,5*1*10-12 )=0,809 пФ

Коэффициенты подключения детекторов к контуру m1 определяются по допустимому шунтированию контура входным сопротивлением детекторов. Можно взять m1 = 0,3…0,5.

8. Емкости С1 и С2, предполагаемые равными, находят из неравенств

С1 ,

С2 10 / fпч R1 ,

где Fмакс=5100 Гц - частота модулирующего сигнала, Fmax=5100 Гц (верхняя модулирующая частота по ТЗ), МВ=1,1-допустимый коэффициент частотных искажений, Rid находим из рис.3 : Rid/Ri=6.8> Rid=6.8*58,8=399,8 Ом.

Условия не противоречят друг другу, поэтому исходя из этих условий и стандартного ряда номиналов E12 примем значения емкостей C1=C2=55 нФ.

Индуктивность дросселя определяется неравенством:

Lдр 3 / ((fпч ) 2 •C1).

5. Заключение

В данном курсовом проекте был спроектирован приемник радиостанции, обладающий достаточно высокими характеристиками. Во многом этому помогла современная элементная база, использованная при проектировании радиоприемника.

В частности, устройство обладает высокой чувствительностью, малыми искажениями, а также высокой избирательностью в отдельных частях линейного тракта приемника, что обеспечивает высокую селективность, присущую устройству в целом. Кроме того, спроектированный приемник способен работать в диапазоне температур -30..+50 C.

Стоит отметить, что в современных радиостанциях применяются микросхемы более высокой степени интеграции, чем те, что были применены в проекте. В частности, приемо-передающий тракт может быть реализован на микросхемах трансиверов (приемо-передатчиков). Использование подобных структур позволило бы упростить конструкцию радиостанции в целом, как конечной цели разработки. Но поскольку требования к передающему тракту в техническом задании не обозначены, было решено остановиться на отдельных микросхемах именно приемного тракта.

Также можно сказать что полученный нами приемник имеет неплохой запас по частоте, равный 3,916кГц. К достоинствам это приемника можно еще отнести небольшой коэффициент шума, который составляет 5,05дБ, полученная избирательность по зеркальному каналу вполне обеспечивается, согласно ТЗ, также как и по соседнему с помощью фильтров.Также обеспечили разнос по соседним каналам равный 50кГц.

6. Список использованных источников

1. Проектирование радиоприемных устройств: Методические указания. Часть 1/ РГРТА; сост. Ю.Н. Паршин, Е.Н. Салтыков; под ред. Ю.Н. Паршина. Рязань, 2003.

2. А.П. Сиверс. Проектирование радиоприемных устройств. Учебное пособие для ВУЗов-М: Советское радио,1976.

3. Н.Н. Горюнов. Полупроводниковые приборы: транзисторы. Справочник.-М: Энергоатомиздат, 1985.

4. Н.В. Бобров. Расчет радиоприемников. - М: Радио и связь, 1981.

5. А.В. Нефедов, В.И. Гордеева. Отечественные полупроводниковые приборы и их зарубежные аналоги. Справочник. - М: Радио и связь, 1990.

6. В.М. Петухов. Транзисторы и их зарубежные аналоги. Справочник. Том 1. -М: Радиософт, 1999.

7. Электронный справочник радиолюбителя.

8. www.chip-news.ru.

9. www.golledge.com.

10. http://www.etna.ru/filters.

11. www.analog.com.

12. http://search.datasheetcatalog.net

Размещено на Allbest.ru