Разработка профессионального радиопередатчика систем низовой связи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Техническое задание

2. Анализ ТЗ

3. Разработка структурной схемы

4. Выбор элементной базы и разработка функциональной схемы

5. Разработка принципиальной схемы

5.1 Фильтр ФАПЧ

5.2 Модулятор, ГУН, кварцевый генератор

5.3 Особенности подключения микросхемы приемопередатчика

5.4 Схема управления и интерфейс

5.5 Источник питания

5.6 Входная цепь

5.7 Антенное согласующее устройство

Заключение

Список литературы

Введение

В связи с быстрым ростом сети радиопередающих устройств, резким ужесточением требований электромагнитной совместимости радиоэлектронных устройств, повышением требований к качеству и надежности их работы особое внимание уделяется на необходимость использования последних достижений отечественной и зарубежной техники в области радиопередатчиков.

Ярким примером служит применение новых мощных радиоламп и "генераторных" транзисторов; выбор экономически более выгодных режимов выходной цепи; широкое применение транзисторов и микросхем, экранированных ламп; применение широкополосных усилителей.

Сейчас все более популярно стало использовать радиопередающие устройства на одном чипе. Преимущества использования таких микросхем в практических конструкциях различных устройств очевидно: упрощается реализация решаемой задачи и одновременно с этим снижаются затраты на серийное производство. трансивер микросхема симплекс дуплекс

Все большее применение на практике находит частотная модуляция вследствие её лучшей помехоустойчивости и более высоких энергетических характеристик по сравнению с амплитудной модуляцией.

В настоящее время происходит оптимизация оборудования, облегчающего жизнь человека, его усовершенствование, понижение себестоимости при росте надежности, скорости и количества выполняемых операций. В достижении данных задач инженеру существенно помогает цифровая техника.

В данной работе приводится расчет радиопередатчика, работой которого осуществляется с помощью микроконтроллера, что обуславливает улучшение многих показателей.

1. Техническое задание

1. Проанализировать современное состояние теории и техники в предметной области.

Выбрать и обосновать структурную схему устройства.

Выбрать и обосновать принципиальную схему устройства.

Определить основные характеристики устройства и проверить их

соответствие требованиям задания и нормативных документов.

Выполнить электрический расчет основных каскадов.

Подготовить проект технического задания на разработку

Исходные данные для проектирования передатчика.

Диапазон рабочих частот, МГц - 340..430

Характеристика перестройки частоты - плавная

Шаг дискретной сетки частот Гц - 1000

Допустимая нестабильность частоты - 15*10⁶

Вид модуляции - ЧМ

Полоса передаваемых частот, кГц - 0,3-3,4

Допустимый уровень нелинейных искажений, % - 8

Максимальная девиация частоты, кГц - ±20

Уровень побочных излучений, дБ - -39

Выходная мощность, Вт - 1

Тип аппаратуры - стационарная

Дополнительные требования - возможность передачи телеграфных сообщений со скоростью до 300 Бод; автоматическая настройка на три канала внутри указанного диапазона.

2. Анализ технического задания

Целью данной курсовой работы является разработка профессионального радиопередатчика систем низовой связи с заданными характеристиками.

Радиопередатчик низовой связи - стационарная или подвижная радиопередающая аппаратура, применяемая для организации служебной или производственной (низовой) радиотелефонной связи.

При характерном построении сетей низовой радиосвязи в виде отдельных кустов, охватывающих определённую территорию, данные радиостанции, как правило, подразделяются на главную и несколько подчинённых (абонентских). Связь между абонентскими радиостанциями и между отдельными кустами обычно не предусматривается. За каждой абонентской станцией закрепляется индивидуальный номер селективного вызова.

Передатчики радиостанций низовой связи имеют небольшую мощность (до 50 Вт у главных радиостанций и до 10 Вт - у абонентских), в них используют частотную или (реже) однополосную модуляцию. Они работают в специально выделенных для них регламентом радиосвязи диапазонах радиочастот. Дальность устойчивой связи достигает нескольких сотен километров в диапазоне декаметровых волн и несколько десятков километров в диапазонах метровых и дециметровых волн. Радиопередатчики систем низовой связи рассчитаны на эксплуатацию в различных (часто неблагоприятных) условиях радиосвязи и обеспечивают беспоисковую и бесподстроечную, достаточно высококачественную радиотелефонную дуплексную или симплексную связь.

Заданный диапазон частот 340 - 430 МГц относится к дециметровому диапазону длин волн (100 - 10 см).

Вид модуляции, используемый при проектировании данного передатчика, - частотная модуляция. При ЧМ обеспечивается формирование радиосигнала с постоянным значением амплитуды несущего колебания при меняющихся значениях модулирующего сигнала, что обеспечивает системам связи ряд следующих положительных свойств:

- возможность использования усилителей мощности класса С без риска расширения полосы занимаемых частот в радиоканале;

- низкий уровень внеполосных излучений, достигающий значений от -60 до -70 дБ;

- возможность использования простых устройств демодуляции, содержащих устройства ограничения уровня принимаемого сигнала, что упрощает проектирование приемных устройств.

3. Разработка и анализ структурной схемы

Согласно техническому заданию радиопередатчик должен передавать два вида сигналов: звуковой (0,3..3,4 кГц) и сигнал, соответствующий телеграфной посылке со скоростью до 300 Бод.

Для осуществления передачи звукового сигнала, передатчик снабжен разъемом (Р 1) для подключения микрофона. Далее сигнал с микрофона поступает на усилитель низкой частоты (УНЧ).

Для возможности передачи телеграфных сообщений передатчик снабжен разъемом (Р 2) для подключения телеграфного ключа (КТ), который в свою очередь при замыкании включает генератор, который может вырабатывать или низкочастотный синусоидальный сигнал, или прямоугольные импульсы.

Сигналы с УНЧ и генератора поступают на коммутатор, с помощью которого выбирается необходимый сигнал: либо с микрофона, либо с телеграфного ключа. Далее сигнал поступает на модулятор (М), а с него на генератор, управляемый напряжением (ГУН).

Высокочастотная часть схемы начинается с задающего генератора (ЗГ), который вырабатывает синусоидальный сигнал со стабильной во времени частотой. Затем сигнал преобразуется в дискретный посредством преобразователя (П) и подается на делитель частоты с дискретным коэффициентом деления (ДФКД). Далее идет фазовый детектор (ФД), фильтр низкой частоты (ФНЧ) и усилитель постоянного тока (УПТ). Данная цепочка обеспечивает согласования управляющего сигнала и генератора, управляемого напряжением. После генератора, управляемого напряжением сигнал делится. Первая его часть поступает на усилитель высокой частоты (УВЧ), а затем на передающую антенну (А). Вторая часть сигнала служит для обеспечения обратной связи. Сигнал с выхода генератора, управляемого напряжением, дискретизируется (П) и подается на делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД), далее на фазовый детектор.

Фазовый детектор детектирует полученные сигналы, вырабатывая исходный сигнал управляющего напряжения.

Блок управления частотой представляет собой микроконтроллер, к которому подключается клавиатура, необходимая для ручного введения нужной частоты, индикатор, необходимый для визуального наблюдения, и запоминающее устройство, которое необходимо для автоматической настройки на 3 канала внутри указанного диапазона частот.

Структурная схема устройства представлена в приложении.

4. Выбор элементной базы и разработка функциональной схемы

В связи с увеличением и расширением современной элементной базы, в настоящее время все более популярно стало использование радиопередающих устройств на одном чипе, что значительно уменьшает габариты передатчиков и повышает их характеристики.

В качестве такого устройства был выбран радиочастотный трансивер на одном чипе GJRF400 норвежской фирмы Gran-Jansen AS.

Микросхема трансивера GJRF400 предназначена для применения в устройствах дистанционного управления, системах сигнализации, других системах управления и контроля. Возможно также ее использование для передачи данных на небольших скоростях между компьютерами. Типовая система на ее основе состоит из микропроцессора, трансивера и небольшого числа внешних деталей.

Основные технические данные микросхемы трансивера GJRF400:

1. выходная мощность передающего устройства - 5 мВт;

2. чувствительность приемного устройства - 110 дБм;

3. типовая рабочая частота - 434 МГц (возможна работа в диапазоне 300…500 МГц);

4. скорость передачи данных - 9600 бит/с;

5. напряжение питания - 3 В;

6. потребляемый ток 16 мА в режиме приема и 25 мА в режиме передачи;

7. четырехпроводное соединение для реализации управления.

Данные микросхемы используются в следующих областях:

- беспроводные сети;

- системы сигнализации;

- системы двустороннего вызова (пейджинга);

- телеметрия;

- системы контроля окружающей среды;

- беспроводные репитеры;

- мониторинг доступа и перемещений;

- дистанционные измерения;

- беспроводные считыватели штрих-кода.

Структурная схема микросхемы трансивера приведена на рисунке 4.1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4.1 - структурная схема трансивера GJRF400

В связи с использованием микросхемы трансивера структурная схема слегка видоизменится. Структурная схема, учитывающая использование, как основополагающей, микросхемы GJRF400 представлена в приложении. И функциональная схема уже строится на основе такой структурной схемы.

Передающее устройство состоит из синтезатора частоты с фазовой автоматической подстройкой (ФАПЧ) и усилителя мощности. Синтезатор частоты, в свою очередь, включает: генератор, управляемый напряжением (ГУН), предварительное пересчетное устройство, программируемые делители частоты и фазовый детектор (ФД). Фильтр системы ФАПЧ - внешний.

В качестве системы управления работой передатчика был выбран микроконтроллер фирмы "Microchip" PIC16C63. Основные особенности данного микроконтроллера представлены ниже:

– тактовая частота 0...20 МГц;

– гарвардская архитектура:

– - длина слов памяти программ - 14 бит

– - длина слов памяти данных - 8 бит;

– все команды выполняются за один цикл (четыре периода тактового генератора);

– программируемый выбор типа тактового генератора: - внешний RC генератор;

– высокочастотный кварцевый резонатор;

– опорное напряжение, либо питающее, либо подаваемое вместо одного из аналоговых сигналов;

– синхронный и последовательный порт с протоколами SPI и I2C;

– асинхронный последовательный порт;

– разнообразные источники прерываний;

– режим останова с микроэнергопотреблением и ожиданием условия запуска.

В качестве источника визуального наблюдения выступает жидкокристаллический индикатор МТ-10S1 фирмы "МЭЛТ". Жидкокристаллический модуль состоит из БИС контроллера управления и ЖК панели. Данный модуль позволяет отображать 10 символов в одной строке при матрице символа 5Ч8 мм.

Запоминающее устройство представляет собой совокупность ПЗУ и ОЗУ фирмы "Philips": PCA8185C(1024Ч8) - ПЗУ и PCF8570(256Ч8) - ОЗУ.

Тактовая частота у микросхем составляет 100 кГц и напряжение питания от 2,5 до 6 В.

Микросхема LP2980 фирмы "National Semiconductor", составляющая основу схемы питания передатчика, представляет собой микромощный стабилизатор напряжения с очень низким собственным током потребления (60 мкА) и минимальным падением напряжения (7 мВ при 1 мА и 120 мВ при 50 мА).

В качестве усилителя мощности выбрана микросхема MHW5382A фирмы "Motorola". Она представляет собой линейный сверхширокополосный интегральный усилитель мощности, обладающий высокой линейностью.

В качестве АЦП выбрана микросхема AD7701 Analog Device, это 16 битный одноканальный аналого-цифровой преобразователь.

Перед подачей сигналов с микрофона на АЦП необходимо вначале его усилить. В качестве микрофонного усилителя используется микросхема К538УН1А. Данный усилитель обеспечивает требуемую амплитуду напряжения.

5. Разработка принципиальной схемы

Схема трансивера с указанием основных соединений представлена на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1

Рассмотрим более подробно каждый блок в отдельности:

5.1 Фильтр ФАПЧ

Фильтр с системой фазовой автоподстройки частоты внешний и представлен на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2

5.2 Модулятор, генератор, управляемый напряжением, кварцевый генератор

Данный узел представлен на рисунке 5.3.

В данной схеме ГУН собран по схеме Колпица (емкостной трехточки) и требует применения внешнего кварцевого резонатора и варикапа. Частота кварцевого резонатора составляет 10 МГц. Частотная манипуляция может осуществляться непосредственно в ГУН или в цепи кварцевого резонатора.

Частота кварцевого резонатора более точно устанавливается с помощью подстроечного конденсатора.

Рисунок 5.3

5.3 Особенности подключения микросхемы приемопередатчика

В таблице 5.1 представлены выводы микросхемы и их назначение.

Таблица 5.1 Назначение выводов микросхемы GJRF400

№	Обозначение	Описание	№	Обозначение	Описание
1	RecC	Конденсатор выпрямителя	23	ground	Земля подложки
2	QchOut	Выход Q-канала	24	CmpOut	Выход ФД
3	IchOut	Выход I-канала	25	OscGnd	Земля генератора Колпица и подложки
4	IFVdd	Питание тракта ПЧ	26	OscIn	Вход генератора Колпица (подключение резонатора)
5	IFGnd	Земля тракта ПЧ	27	OscVdd	Питание генератора Колпица
6	Vb lp1	Резистор гираторного фильтра	28	RFVdd	Питание МШУ и УМ
7	Vb lp2	Резистор гираторного фильтра	29	LNA C	Внеш.стабилизирующий конденсатор МШУ
8	NC	Не подключен	30	LNAGnd	Земля первого каскада МШУ
9	ground	Земля подложки	31	RFin	Вход УВЧ (МШУ)
10	IchC	Конденсатор усилителя I-канала	32	RFGnd	Земля МШУ, УМ и подложки
11	QchC	Конденсатор усилителя Q-канала	33	RFout	Выход УМ
12	GuardVdd	Защита по питанию	34	PAbias	Внешний резистор смещения УМ
13	DigGnd	Земля цифровой части схемы	35	MixerVdd	Питание смесителя
14	ModOut	Выход модулятора для модуляции ГУН/КвГ	36	MixerGdd	Земля смесителя
15	XoscOut	Выход КвГ	37	qc2	Конденсатор УПЧ Q-канала
16	XoscIn	Вход КвГ	38	qc1	Конденсатор УПЧ Q-канала
17	DataIXO	Двунаправленный порт передачи данных	39	ic1	Конденсатор УПЧ I-канала
18	Clock	Синхронизация	40	ic2	Конденсатор УПЧ I-канала
19	Load	Нагрузка	41	A0	Вход установки усиления УПЧ
20	DigVdd	Питание цифровой части схемы	42	A1	Вход установки усиления УПЧ
21	RxOutD	Выход цифрового канала I/Q	43	A2	Вход установки усиления УПЧ
22	DataC	Конденсатор фильтра цепи передачи данных	44	RecOut	Выпрямленный сигнал выходного уровня I-канала

Синтезатор имеет два разных делителя частоты - N и M.

Длина регистров N и M составляет соответственно 10 и 12 бит. Для всех видов частотной модуляции данные подаются на вход Data IXO.

Внешние компоненты применяются для согласования входного и выходного сопротивлений тракта ВЧ, развязки цепей схемы по постоянному току, а также обеспечения частотной модуляции, в цепях ГУН, фильтра петли ФАПЧ и цепях смещения.

Для программирования используются три шины: данных (Data IXO), синхронизации (Clock) и нагрузки (Load).

Data IXO - двунаправленная шина, которая используется для передачи и приема данных и программирования схемы. Интерфейс последовательной трехлинейной шины обеспечивает управление делителями частоты и подачей питания на узлы передающего устройства и синтезатора частоты. Интерфейс соcтоит из 59-битного программируемого регистра. Данные вводятся по шине Data IXO с передачей первого наибольшего значащего бита. Первый вводимый бит обозначается как p1, последний - как p59. Распределение и назначение бит можно понять из таблиц 5.2, 5.3.

Таблица 5.2 Распределение бит

Распределение бит

p1-p12 N1

p13-p24 N0

p25-p34 M1

p35-p44 M0

p45 LNA

p46 "0"

Распределение бит

p47 RxOutD

p48 RxOutD_S

p49 Fc0

p50 Fc1

p51 RecSel

p52 RxOut

p53 Bias S

Распределение бит

p50 "0"

p55 GmBias

p56 Mod1

p57 Mod0

p58 R_T

p59 Pd

Таблица 5.3 Назначение бит

N1	Делитель частоты N1, 12 бит
N0	Делитель частоты N0, 12 бит
M1	Делитель частоты М 1, 10 бит
M0	Делитель частоты М 0, 10 бит
BypassLNA	1 - МШУ отключен (как перемычка между входом и выходом МШУ)
RxOutD	1 - цифровые выходы I- и Q-каналов активны на выв. RxOutD
RxOutD_S	Выбор цифрового выхода канала приема I (лог.1) или Q (лог.0)
Fc0	Бит для программирования частоты среза RC-фильтров
Fc1	Бит для программирования частоты среза RC-фильтров
RecSel	0 - выпрямитель выпрямляет сигнал с выхода гираторного фильтра I-канала
	1 - выпрямитель выпрямляет сигнал с выхода пассивного RC фильтра I-канала
RxOut	0 - выходы гираторного фильтра активны на выводах IchOut и QchOut
	1 - выходы RC-фильтра активны на выводах IchOut и QchOut
BiasS	1 - ФНЧ I- и Q-каналов используют одну и ту же цепь смещения, подключенную к выв. Vb_lp1
GmBias	1 - девиация сигнала FSK более 30 кГц
	0 - девиация сигнала FSK менее 30 кГц
Mod1	Mod1 - 0 Mod0 - 0: модуляция отсутствует
	Mod1- 0 Mod0 - 1: FSK модуляция за счет переключения делителей частоты
Mod0	Mod1 - 1 Mod0 - 0: FSK модуляция осуществляется в ГУН
	Mod1 - 1 Mod0 - 1: FSK модуляция осуществляется в кварцевом генераторе
R_T	0 - режим приема
	1 - режим передачи
Pd	0 - питание включено
	1 - питание выключено

Если модуляция осуществляется в ГУНе или кварцевом генераторе, синтезатор использует делители N0 и M0. Если присутствуют уровни Mod1 = 0 и Mod0 = 1, возможно переключение между делителями в синтезаторе. Переключением управляют уровни на входе Data IXO. При Data IXO = 0 синтезатор использует делители N0 и M0. При Data IXO = 1 синтезатор использует делители N1 и M1. Режим переключения делителей частоты может быть использован для реализации низкоскоростной частотной модуляции.

Рабочий процесс происходит за три цикла:

1. Контрольное слово загружено во второй регистр.

2. По спаду первого импульса синхронизации начинается считывание нового контрольного слова в регистре сдвига.

3. После 59 импульсов синхронизации схема готова для перехода в режим приема, передачи или ожидания. С этого момента линия Data IXO независима от линии Clock. Состояние линии Clock должно быть статическим для минимизации помех.

5.4 Схема управления и интерфейс

Схема управления основана на микроконтроллере PIC16C63.

Основные характеристики данной микросхемы перечислены в предыдущем пункте.

Работа процессора синхронизируется внешним кварцевым резонатором, имеющим частоту также 10 МГц.

Для ручного введения необходимой частоты система оснащена клавиатурой, состоящей из 16 кнопок. Клавиатура подключается к микроконтроллеру через два буфера, один из которых работает на прием, другой на передачу.

С кнопок можно вводить как численное значение частоты, так и значение настройки частоты на один из трех каналов, внутри указанного диапазона частот.

Значения частот для перестройки каналов внутри указанного диапазона частот записаны в запоминающем устройстве.

Для визуального наблюдения введенной частоты к микроконтроллеру подсоединен также и жидкокристаллический модуль. Данный модуль позволяет:

– работать как по восьми, так и по четырех битной шине данных (задается при инициализации);

– принимать команды с шины данных;

– записывать данные в ОЗУ с шины данных;

– читать данные из ОЗУ на шину данных;

– управлять контрастностью и подсветкой;

– модуль имеет встроенный знакогенератор.

В данном случае модуль управляется по четырех битному параллельному интерфейсу. Внешний вид индикатора и его типовое включение представлено на рисунке 5.4.



Рисунок 5.4

5.5 Источник питания

Схема питания устройства представлена на рисунке 5.5.

Рисунок 5.5

Микросхема LP2980 - микромощный стабилизатор напряжения с очень низким собственным током потребления (60 мкА) и минимальным падением напряжения (7 мВ при 1 мА и 120 мВ при 50 мА).

5.6 Входная цепь

Сигналы с микрофона поступают на микрофонный усилитель К 538УН 1А, который усиливает сигнал до необходимого уровня, а затем на вход АЦП.

На рисунке 5.6 представлен микрофонный усилитель К538УН1А.



Рисунок 5.6

Вывод 4 - вход, вывод 8 - выход.

Сигналы же, поступающие с телеграфного ключа, который при замыкании включает генератор прямоугольных импульсов, поступают непосредственно на вход микроконтроллера.

Генератор прямоугольных импульсов представлен на рисунке 5.7.

Рисунок 5.7

Подключение аналого-цифрового преобразователя представлено на рисунке 5.8.



Рисунок 5.8

Микросхема питается напряжением + 5 В и -5 В. Кварцевый резонатор настроен на частоту 10 МГц.

5.7 Антенное согласующее устройство

Антенное согласующее устройство представлено на рисунке 5.9.

Рисунок 5.9

На выходе микросхемы мощность составляет 5 мВт, а по ТЗ выходная мощность устройства должна составлять 1 Вт. Следовательно, усилитель мощности должен иметь коэффициент усиления по мощности как минимум 200. И исходя из стандартной таблицы отношения токов, напряжений и мощностей, выраженных в децибелах и соотношения в дБ и разах, определяется, какое должно быть соотношение выходной мощности к входной, выраженных в дБ:

; (5.7.1)

Подставляя данные, получаем, что коэффициент усиления мощности в дБ равен примерно 23 дБ.

Выбранный выше усилитель мощности MHW5382А обеспечивает усиление мощности на 38, 39 дБ в полосе частот от 40 до 450 МГц.

Минимальная мощность на входе составляет 0,1 мВт.

Неравномерность амплитудно-частотной характеристики меняется от 0,3 до 0,6 дБ.

Заключение

В результате выполненной работы были получены структурная, функциональная и принципиальная электрические схемы профессионального радиопередатчика системы низовой связи. Основой построения радиопередатчика является микросхема приемопередатчика на одном чипе, что значительно уменьшает габариты передатчиков и повышает их характеристики.

Разработанный передатчик по своим характеристикам полностью удовлетворяет требованиям, указанным в техническом задании на разработку.

Список использованной литературы

Радиочастотные трансиверы на одном чипе// Компоненты и технологии, №3, 2001

Проектирование радиопередатчиков: Учеб. пособие для вузов / В.В. Шахгильдян и др.; Под ред. В.В. Шахгильдяна.- М.: Радио и связь, 2003

Каталог Платан: Электронные компоненты, 2003

www.platan.ru

www.gaw.ru

Размещено на Allbest.ru