Проектирование радиопередающего устройства с частотной манипуляцией

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Сибирский федеральный университет»

Институт инженерной физики и радиоэлектроники

Кафедра «Радиоэлектронные системы»

Курсовой проект

Проектирование радиопередающего устройства с частотной манипуляцией

Руководитель

Романов А.П.

Студент РТВ14-01, 301400709

Тропин А.А.

Красноярск 2017



Содержание

частота промодулированный сигнал

Введение

1. Выбор и обоснование структурной схемы

1.1 Требование к модулятору

1.2 Требования к формированию рабочего диапазона частот

1.3 Требования к усилителю мощности

1.4 Требование к синтезатору частот

2. Обоснование и расчет основных параметров функциональной схемы

2.1 Обоснование и расчет основных параметров выходной цепи

2.2 Обоснование и расчет основных параметров усилителя мощности

2.3 Обоснование и расчет основных параметров преобразователя частоты

2.4 Обоснование и расчет основных параметров модулятора

2.5 Обоснование и расчет основных параметров синтезатора частот

3. Расчет элементов функциональной схемы

3.1 Расчет оконечного каскада

3.2 Расчет выходной цепи

3.3 Расчет модулятора

3.4 Расчет синтезатора частот

3.4.1 Расчет сетки синтезатора частот

3.4.1.1 Расчет ФАПЧ

3.4.1.2 Расчет ГуН

3.4.1.3 Расчет ДПКД

3.4.2 Расчет синтезатора опорных частот

3.4.3 Расчет задающего генератора

Введение

В настоящее время радиопередающие устройства используются очень широко. Это могут быть - радиовещательные передатчики, радиостанции, также они используются абсолютно во всех видах беспроводной связи, таких как пейджинговая, сотовая, транкинговая, спутниковая. Передатчики могут использоваться и не для связи, в радиолокации. Для управления различными устройствами на расстоянии - космическими станциями, беспилотными летательными аппаратами, управляемыми и самонаводящимися ракетами, охранной сигнализацией автомобилей и др.

Поэтому нужно уделять особое внимание проектированию радиопередающих устройств, работающих с различными видами модуляции, различными диапазонами, выходными мощностями и другими параметрами.

Также в связи с насыщенностью эфира особое внимание в последнее время уделяют электромагнитной совместимости, т.е. уровню внеполосных излучений и стабильности частоты генератора.

Технические требования:

Диапазон частот

Средняя мощность в антенне

Вид модуляции Частотная манипуляция (ЧМ)

Скорость передачи информации

Активное сопротивление антенны на минимальной частоте

Ёмкость антенны

Девиация частоты 50 кГц

В данном курсовом проекте требуется разработать устройство с частотной манипуляцией, оно должно передавать сигнал в диапазоне от 23 до 26 .



1. Выбор и обоснование структурной схемы

1.1 Требование к модулятору

В результате курсового проекта, должна быть разработана - спроектирована структурная схема радиопередающего устройства, выполненная с соблюдением правил и обозначений, представленных ЕСКД.

Возбуждением называют устройство, входящее в состав радиопередатчика и предназначенное для формирования колебаний с заданными частотами и требуемым видом модуляции. Основными компонентами возбудителя являются следующие: синтезатор частот, модулятор, практический преобразователь частот.

Модулятор - устройство, изменяющее параметры текущего сигнала в соответствии с изменениями передаваемого сигналы

Рисунок 1. Модулятор

Наш используемый сигнал имеет следующий вид:

Рисунок 2. Сигнал с ЧМн



Рассчитаем ширину полосы частот ?f_с, которую занимает наш сигнал:

;

где - девиация частот; =R=20 - скорость передачи информации.

Тогда:

Из следующего выражения, найдем число каналов связи К:

1.2 Требования к формированию рабочего диапазона частот

Перенос промодулированного сигнала с частотой f_M в рабочий диапазон частот fн…f_в радиопередающего устройства осуществим через преобразователь частот (ПЧ). Тракт ПЧ возбудителя должен удовлетворять техническим требованиям по качественным показателям модуляции (АЧХ, ФЧХ, линейность). В простейшем случае ПЧ состоит из смесителя и полосового фильтра.



Рисунок 3. Преобразователь частоты

1.3 Требования к усилителю мощности

В связи с тем, что в антенно-фидерную систему необходимо передать большую мощность, чем на выходе возбудителя, требуется установить усилитель.

Рисунок 4. Усилитель мощности

Усилители служат для усиления выходного сигнала преобразователя частоты (ПЧ) и обеспечения избирательности по соседнему каналу. В тракте промежуточной частоты осуществляется основное усиления принимаемого сигнала. Для получения большего усиления, необходимо усилитель сделать каскадным. Также необходимо, что бы выходная цепь (ВЦ) обеспечивала согласованность антенно-фидерного устройства с оконечным каскадом.

1.4 Требование к синтезатору частот

Синтезатор частот (СЧ) - устройство для формирования когерентных колебаний, с требуемой точностью и стабильностью частоты, из опорного сигнала, вырабатываемого кварцевым генератором. Причем один из вырабатываемых сигналов дискретно перестраивается по частоте (с требуемыми шагом и скоростью).

Структурная схема:

Рисунок 5. Структурная схема радиопередающего устройства



2. Обоснование и расчет основных параметров функциональной схемы

2.1 Обоснование и расчет основных параметров выходной цепи

Рисунок 6. Функциональная схема выходной цепи

Выходная цепь служит для:

Согласования антенно-фидерного устройства с оконечным каскадом (УМ) в рабочем диапазоне частот.

Фильтрации пабочных составляющих, расположенных вне полосы полезного сигнала.

Хорошего выделения требуемой горизонтальной составляющей при работе транзистора в режиме с отсечкой коллекторного тока.

Для выбора функциональной схемы цепи согласования, необходимо рассчитать диапазон частот:

Кf = = = 1.14~1.2

В том случае, когда Кf больше чем 1.1…1.2, ЦС используется в широком диапазоне и, следовательно, в ней будет перестройка частоты, и необходим построечный контур. В данном случае Кf меньше 1.2, следовательно не будет перестройки частоты в ЦС. Узкодиапазонные ВЦ с Кf =1,1...1,2 также выполняют без трансформации нагрузочных сопротивлений.

Рисунок 7. График зависимости КПД от мощности антенны

Выбираем рекомендуемое значение КПД цепи согласования из таблицы в соответствии с заданными параметрами: з _цс=0.645.

2.2 Обоснование и расчет основных параметров усилителя мощности

Оконечный каскад устройства должен рассчитываться на максимальную мощность, зависящую от вида модуляции и КПД ЦС. Для достижения высокой стабильности частоты необходимо использовать многокаскадную схему усиления сигнала. Количество каскадов усиления зависит от мощности возбудителя и мощности передаваемой через цепи согласования в нагрузку .

При частотной модуляции:



где - КПД цепи согласования.

Ориентировочное число каскадов усиления:

Где:

-коэффициент усиления каскада на биполярном транзисторе в области не очень высоких частот;

- мощность на выходе возбудителя, как правило, порядка .

В итоге необходимое число каскадов усиления равно .

2.3 Обоснование и расчет основных параметров преобразователя частоты

Рисунок 8. Номограмма

Выберем на номограмме участок, не пересекающийся с комбинационными составляющими низших порядков.



Частота модуляции :

Рисунок 9. Функциональная схема преобразователя частоты

2.4 Обоснование и расчет основных параметров модулятора

Частотные манипуляторы представляют собой устройства, обеспечивающие связь между передаваемым (модулирующим) сигналом и выходным сигналом, изменяющимся по частоте. Обычно в широкополосных системах связи модуляция осуществляется на промежуточной частоте. Частотная модуляция (ЧМ) является основным видом модуляции в современных системах передачи информации СВЧ диапазона, в том числе системах спутниковой радиосвязи и телевидения. При ЧМ обеспечивается высокая помехоустойчивость и высокое качество передачи информации, допускается возможность одновременной работы в общем канале связи большого числа корреспондентов и реализуется более полное использование по энергетическим показателям радиопередающего устройства в силу постоянства амплитуды сигнала по сравнению с амплитудной модуляцией.

Основное требование, предъявляемое к частотному модулятору, сводится к изменению частоты, а скорость изменения частоты является второстепенной.

Рассчитаем ширину полосы частот, которую занимает наш сигнал.

,

где .-скорость передачи информации.

Тогда, =140 КГц.

2.5 Обоснование и расчет основных параметров синтезатора частот

Синтезатор частот - устройство, вырабатывающее из опорного колебания одно или несколько когерентных колебаний с требуемой точностью и стабильностью частоты. Причем, хотя бы одно из вырабатываемых СЧ когерентных колебаний должно быть плавно или дискретно перестраиваемыми по частоте с требуемыми скоростью и шагом изменения частоты.

Основные требования заключаются в обеспечении стабильности частоты, а также перестройки с одной частоты на другую.

СЧ состоит из трех блоков: ЗГ - задающий генератор, СОЧ - синтезатор опорных частот, ССЧ - синтезатор сетки частот.

Функциональная схема СЧ выглядит следующим образом:



Рисунок 10. Структурная схема синтезатора частот



3. Расчет элементов функциональной схемы

3.1 Расчет оконечного каскада

Транзистор № 13 КТ950Б подходит под условия неравенства, так как:

Для получения параметрических данных, необходимо воспользоваться таблицей 1.1:

Максимальная допустимая температура переходов транзистора:

Максимально допустимая температура окружающей среды:

Тепловое сопротивление переход-корпус:

Коэффициент передачи по току:

Граничная частота усиления по току:

Сопротивление насыщения транзистора: Ом

Максимально допустимый ток коллектора:

Барьерная емкость эмиттерного перехода:

Барьерная емкость коллекторного перехода:

Индуктивность эмиттерного вывода:

Индуктивность базового вывода:

Индуктивность коллекторного вывода:

Сопротивления базы:

Сопротивление эмиттера: 0,15 Ом

Максимально допустимое напряжение на базе:

Максимально допустимое напряжение на коллекторе:

Напряжение отсечки:

Рассеиваемая мощность равна:

39

Где тепловые параметры из таблицы 1.1.:

Необходимо выполнение неравенства

=411,1 Мгц

Амплитуда напряжения первой гармоники на коллекторе находим по формуле:

Где:

- коэффициент Берга



Постоянная составляющая тока коллектора:

Амплитуда первой гармоники коллекторного тока:

>условие выполняется.

Мощность потребляемая от источника питания:

Расчетная мощность рассеиваемая на коллекторе:

Вт

Должно выполняться условие:



Электронный КПД:

Сопротивление эквивалентной нагрузки:

Расчет входной цепи транзистора

Сопротивление эмиттера:

Амплитуда тока базы:



Определим максимальное обратное напряжение на эммитерном переходе:

||=

- условия не выполняется, необходимо уменьшить

Определим в эквивалентной схеме входного сопротивления:

1,729*10^-9+

*



=

=+j*

Входная мощность находится по формуле:

Найдем коэффициент усиления по мощности:

Постоянные составляющие базового и эммитерного тока:

Ам

+=4,237 Ам

Исходя из того, что напряжение смещения положительное, то

0,516 Ам

Ом



Принципиальная схема ГВВ

Необходимо определить элементы цепи

Реактивное сопротивление разделительного конденсатора должно соответствовать неравенству: , разница должна составлять, как минимум, 50-100 раз.

Реактивное сопротивление блокировочной индуктивности: должно быть в 50 раз больше, т.е.

Используя условие, найдем блокировочную емкость:



3.2 Расчет выходной цепи

Выходная цепь состоит из двойного П-образного фильтра и настроечной цепи.

Цепь разбивают на 2 части (3 МГц) для удобства расчета

Рисунок 11. Функциональная схема выходной цепи

Примем

Задаем добротность системы

Q=3=4

Определим среднее сопротивление:

Емкостное сопротивление:



Добротность холостого хода найдем по формуле:

Найдем индуктивное сопротивление на нижней частоте:



Найдем индуктивное сопротивление на верхней частоте:

Коэффициент фильтраций рассчитывается по формуле:

n - Номер гармоники, k - количество фильтров

Определим сопротивление насыщения



3.3 Расчет модулятора

Рисунок 12. Принципиальная схема модулятора

Выбираем диод 1Д507А.

Электрические параметры диода 1Д507А:

U_{вкл.диода}=0,35В

I_{пер.диода}=20мА

Найдем балластные сопротивления.

U=5В - уровень логической единицы.

Определим

3.4 Расчет синтезатора частот

Рисунок 13. Структурная схема ССЧ

Определим число N:



Примем

Значение шага сетки частот, т.е. , округляется до ближайшей, более выгодной, величины

3.4.1 Расчет сетки синтезатора частот

Фазовый детектор формирует напряжение, пропорциональное разности колебаний ,

Рисунок 14. Регулировочная характеристика ГУН

Определим полосу захвата



Полоса удержания

В момент включения сети, наш сигнал должен находиться в полосе захвата

Действительные полосы захвата и удержания определяются по формулам:

3.4.1.1 Расчет ФАПЧ

Для обеспечения нестабильности , необходимо обеспечить элемент ФК.

Необходимо определить постоянную времени ФК по формуле:

r=C*(

Рассчитаем параметры ФНЧ использующегося в синтезаторе частот.

Рисунок 15. Пропорционально интегрирующий ФНЧ



Рисунок 16. График зависимости

По графику определим m=0,005, , c=100 нФ

3.4.1.2 Расчет ГуН

Рисунок 17. Автогенератор с кварцевой стабилизацией частоты



Рассчитаем автогенератор исходя из того, что

Автогенератор настроен на ВЧ, маломощном транзисторе, исходя из уcловия

,

Выберем транзистор КТ399АМ

Параметры транзистора:

Граничная частота:

Максимально допустимо напряжение коллектора:

Максимально допустимый ток коллектора:

Емкость коллекторного перехода:

Статический коэффициент передачи тока:

Высота импульса тока должна удовлетворять неравенству:

Напряжение питания дольно удовлетворять условию:

Определим параметр регенерации (Пр=3):



Ток первой гармоники найдем по формуле:

Амплитуда напряжения на коллекторной нагрузке:

Определим сопротивление базовой обмотки:

Входное сопротивление:

Определим значение крутизны:



Определим коэффициент обратной связи по формуле:

Таким образом, энергетический расчет АЭ выполнен.

Найдем волновое сопротивление нашей индуктивности:

Зададим добротность резонансной системы:

Коэффициент включения:

Необходимо рассчитать проводимость, учитывающую индуктирующее действие АЭ:

Определим реактивное сопротивление:



Определим индуктивность:

Далее найдем значение реактивного сопротивления :

Из условия находим

Блокировочная индуктивность:



Блокировочный конденсатор:

Определим напряжение смещения в стационарном режиме:

Из уравнения определим :

Определим ток базы:



Ток, протекающий через эмиттер, найдем по формуле:

Определим сопротивление эмиттера:

Где нагруженная добротность равна:

3.4.1.3 Расчет ДПКД

Определим значение в двоичной системе счисления.

Пройдя через сумматор, на выходе мы имеем значение равное 11001



3.4.2 Расчет синтезатора опорных частот

С задающего генератора поступает на формирователь импульсов, на выходе мы получаем меандру, спектр которой выглядит следующим образом:

3.4.3 Расчет задающего генератора

Рисунок 18. Автогенератор с кварцевой стабилизацией частоты

Необходимо выбрать транзистор, воспользуемся транзистором КТ371А, рассчитанный в ГУН.

Выберем транзистор КТ399АМ

Параметры транзистора:

Граничная частота:

Максимально допустимо напряжение коллектора:

Максимально допустимый ток коллектора:

Емкость коллекторного перехода:

Статический коэффициент передачи тока:

Параметры кварца:

Резонансная частота

Индуктивность

Добротность

Ёмкость

Частота задающего генератора

Потери

Ёмкость кварца и сопротивление кварца определяется по формулам:

Необходимо определить обобщенную расстройку по формуле:

Определим фазовый угол:

,



- частота среза по крутизне

Условная емкость нашей резонансной системы:



Расчет задающего генератора закончен.

Размещено на Allbest.ru