Проектирование радиоприёмных устройств свч

  • От :
  • Категории : Без рубрики

 

Министерство образования Российской Федерации

Казанский Государственный Технический

Университет им.А.Н.Туполева

Л.А.Трофимов

Проектирование

радиоприёмных устройств СВЧ

Часть I. Аналоговые радиоприёмные устройства
Учебное пособие для курсового

и дипломного проектирования

Издательство Казанского Государственного

Технического Университета

2005

Введение

Современные радиоприёмные устройства (РПУ) представляют собой сложную систему, состоящую из большого числа взаимосвязанных узлов.Помимо традиционных задач усиления, фильтрации, преобразования и детектирования сигнала в РПУ производится обработка, поиск и обнаружение сигнала, синхронизация по несущей, адаптация и т.д. Наряду с аналоговыми способами обработки сигнала в РПУ в последнее время широко применяется цифровая обработка.Разнородность и быстрое “старение” элементной базы усложняют разработку и проектирование РПУ.Успехи микроэлектроники позволяют часть узлов РПУ выполнить в виде малых и больших микросхем (БИС). Появившиеся в последние годы акустоэлектронные устройства формирования и обработки сигнала также внесли существенный вклад в расширение функциональных возможностей приёмника.

Глава 1

Проектирование структурной и функциональной

схемы РПУ

Разработка и проектирование РПУ ведётся по принципу от сложного к простому, от более общего представления к детализации. Последовательность проектирования РПУ можно разбить на несколько этапов:

  1. Анализ исходных данных – технического задания (ТЗ) на разработку приёмника.
  2. Выбор способа обработки сигнала и разработка структурной схемы РПУ.
  3. Проектирование функциональной схемы РПУ.
  4. Разработка (расчёт) принципиальной электрической схемы РПУ.
  5. Расчёт надёжности, разработка инструкций по настройке и испытанию РПУ.
  6. Разработка конструкций узлов и блока в целом с технической документацией на изготовление.
  7. Изготовление, настройка и испытание макета РПУ.

В настоящем пособии проектирование РПУ ограничено разработкой принципиальной электрической схемы приёмника.

^

Исходные данные (ТЗ) на проектирование РПУ формируются в процессе разработки системы, в которую входит приёмник и, как правило, состоят из следующих основных требований:

  • средней частоты настройки приёмника
  • полосы частот принимаемого сигнала
  • количества принимаемых частот связи или диапазона перестройки приёмника
  • чувствительности приёмника
  • избирательности по соседнему каналу
  • избирательности по зеркальному каналу
  • динамического диапазона входных сигналов
  • динамического диапазона выходных сигналов
  • характеристики входного сигнала (вид модуляции и т.д.);
  • требований к выходному сигналу РПУ (амплитуда, напряжение и т.д.);
  • стабильности и максимального уровня входного сигнала;
  • условий работы РПУ, габаритов и т.д.

В результате анализа исходных данных выявляются основные и вспомогательные функции, выполняемые приёмником, на основании чего составляется структурная и функциональная схемы приёмника.

^

Составление структурной и функциональной схемы приёмника – наиболее сложный творческий процесс проектирования. Существует два метода решения этой задачи – эвристический и математический.При первом методе модель структурной схемы синтезируется эвристически на основе накопленного опыта, литературы или интуитивных соображений.Моделей (вариантов) структурной схемы может быть несколько. Необходимо выделить оптимальную (лучшую).Недостатком такого метода является необходимость оптимизации нескольких моделей, при этом отсутствует гарантия того, что среди предложенных моделей присутствует наилучшая. Тем не менее этот метод наиболее доступен и применим к системам любой сложности.При математическом синтезе структурной схемы приёмника разработчик в результате математических выкладок получает соотношения, определяющие поведения приёмника при заданной модели сигнала и помех. После этого переходят к построению реальной модели приёмника (структурной схемы). Математический синтез принципиально позволяет найти лучшую из возможных систем и сокращает время проектирования, но лишь при существенном упрощении модели. Поэтому этот метод синтеза применим для относительно простых систем.Ниже рассматривается только первый эвристический метод синтеза структурной схемы приёмника.В РПУ 1-го и 2-го поколений (выполненных на лампах и транзисторах) использовался в основном традиционный аналоговый метод обработки сигнала.В радиоприёмниках 3-го и 4-го и последующих поколений часто применяется цифровая обработка сигнала, а также широко употребляются различные изделия акустоэлектроники.Выбор способа обработки сигнала, типа элементной базы влияет на структурную схему РПУ и производится на начальных этапах проектирования.Аналоговый способ обработки сигналов в приёмнике хорошо разработан теоретически, имеет исторические традиции, практически не имеет частотного предела. Метод особенно удобен при несложных алгоритмах обработки сигнала.Особенностью цифровой обработки сигнала являются:- дискретизация сигнала во времени;- квантование значений;- преобразование дискретных выборок в числа (цифровой код).Далее все операции обработки производятся над полученными в результате преобразования числами.При цифровой обработке сигнала реализуется высокая точность вычислений, высокая стабильность характеристик за счёт отсутствия свойственных аналоговым цепям параметрических уходов, возможность запоминания. Цифровая аппаратура не требует настройки, элементная база более однородна. Цифровые интегральные схемы обладают высокой надёжностью и имеют высокий уровень интеграции.Однако цифровым узлам присущи и недостатки:- небольшое быстродействие;- аппаратурная сложность и большее потребление.Из сказанного следует, что цифровую обработку следует применять при сложных алгоритмах работы приёмника, необходимости адаптации, запоминания сигнала и высокой точности оценки параметров сигнала.Частотный потолок цифровой обработки сигналов в настоящее время не превышает 500 МГц, который к 2005 году намечаются поднять до 1 ГГц.В настоящем учебном пособии рассматриваются только аналоговые способы приёма и обработки сигналов.После выбора способа обработки сигнала составляют упрощенную структурную схему РПУ, соответствующую приёму сигнала с фиксированными параметрами.В настоящее время почти исключительно применяется супергетеродинная схема приёмника, позволяющая осуществлять основное усиление и фильтрацию на низкой промежуточной частоте. Для реализации переменной настройки в супергетеродине достаточно изменять только частоту гетеродина при широкополосном УРЧ или частоты гетеродина и настройки УРЧ.Однако в некоторых случаях (фиксированная настройка, широкий спектр принимаемых сигналов, соизмеримый с несущей частотой) может применяться и приёмник прямого усиления (рис.1).

Рис.1Структурные схемы супергетеродинов различаются числом и направлением преобразований радиочастоты, наличием или отсутствием УРЧ.При выборе схемы супергетеродина следует руководствоваться следующими соображениями.В случае переноса спектра сигнала ниже входной частоты (разностное преобразование) (рис.2) можно обойтись одним преобразованием частоты, что упрощает схему РПУ.

Рис.2В этом случае легко также осуществить хорошую избирательность по соседнему каналу, использую традиционные средства селекции в тракте промежуточной частоты.

Однако из-за малой промежуточной частоты частота зеркального канала оказывается близко расположенной к частоте входного сигнала и её хорошее подавление реализовать в такой структуре трудно.

Поэтому в приёмниках СВЧ, построенных по этой схеме, для лучшего подавления частоты зеркального канала обычно применяется несколько (чаще два) преобразований вниз частоты входного сигнала (рис.3).

Рис.3Двойное преобразование частоты применяется как способ разрешения противоречия между требованиями подавления помехи по зеркальному каналу и высокой избирательности по соседнему каналу. Первое условие предполагает выбор возможно более высокой первой промежуточной частоты, второе – возможно более низкой второй промежуточной частоты.

В случае переноса спектра сигнала выше входной частоты существенно улучшается подавление частоты зеркального канала, уменьшается число фокусов, побочных каналов.

Однако высокая промежуточная частота может усложнить реализацию большого коэффициента усиления усилителя промежуточной частоты (УПЧ). Поэтому в такой структуре имеется также одно или несколько преобразований частоты вниз (рис.4).

Рис.4При многократном преобразовании частоты улучшается подавление частоты зеркального канала, однако возрастает число других побочных каналов приёма. Поэтому на входе каждого нового преобразователя частоты должен стоять фильтр, обеспечивающий подавление образующихся в преобразователях частоты зеркальных каналов.Усилитель радиочастоты (УРЧ) на входе приёмника не применяется, когда к чувствительности приёмника и избирательности по зеркальному каналу не предъявляются высокие требования, а также когда реализовать УРЧ из-за высокой частоты радиосигнала технически сложно.

^

Составление функциональной схемы РПУ основывается на ТЗ, выбранной структурной схеме и элементной базе.Под элементной базой приёмника понимают совокупность активных и пассивных элементов радиотехнических цепей, позволяющих реализовать РПУ.При выборе элементной базы следует учитывать:- выбранную структурную схему приёмника;- требования ТЗ;- современный уровень развития радиоэлектроники.При этом следует стремиться к ограничению её номенклатуры, так как это снижает стоимость РПУ.При составлении функциональной схемы РПУ уточняют элементы структурной схемы, раскрывают функциональные связи внутри них и между ними.

^

Под полосой пропускания линейного тракта приёмника понимается область частот его амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) от входа до детектора, в пределах которой сохраняется его работоспособность, т.е. обеспечиваются все его основные характеристики, а искажения сигнала находятся в допустимых пределах. Полоса пропускания определяется наиболее узкополосным частотным фильтром тракта.

При проектировании радиоприёмника, предназначенного для работы в широком диапазоне частот , общий диапазон рабочих частот разбивается на поддиапазоны с относительно малыми частотными интервалами в каждом поддиапазоне. Если в пределах поддиапазона средняя частота сигнала не изменяется, полоса частот поддиапазона при равномерной разбивке общей полосы на поддиапазонов равна:

(1.1)

Если частоты в пределах поддиапазонов плавно изменяются и — граничные частоты поддиапазонов, то находят коэффициент перекрытия поддиапазонов :

Полоса пропускания линейного тракта приёмника должна быть не шире полосы частот поддиапазона , т.е и определяется соотношением:

(1.2)

где — полоса частот, занимаемая спектром сигнала;

— полоса частот, связанная с нестабильностями частот и настроек в тракте;

— доплеровское смещение частоты.

Ширина спектра сигнала зависит от передаваемой информации и вида модуляции сигнала.

Для непрерывных радиосигналов:

  1. При амплитудной манипуляции (телеграфный сигнал):

Вгде В – скорость телеграфирования, Бод.

  1. При амплитудной модуляции (телефонный сигнал, речь):

где кГц

  1. При однополосной амплитудной модуляции:

где — коэффициент модуляции, — девиация частоты.

Здесь следует различать два частных случая:

а) узкополосной частотной модуляции (), при этом

б) широкополосной частотной модуляции (), когда

.

Для импульсных радиосигналов:

где – длительность импульса.

  1. В импульсных каналах связи:

Запас полосы пропускания, требующийся для учёта нестабильности частот в радиотракте и неточностей настроек приёмника определяется по формуле:

(1.3)

где — нестабильность частоты сигнала (передатчика). Задаётся в ТЗ;

— нестабильность частоты гетеродина. Находится из таблицы 1.1 после выбора типа гетеродина.

Таблица 1.1

Тип гетеродина Относительная нестабильность частоты
Нестабилизированный транзисторный
Транзисторный с кварцевой стабилизацией
Транзисторный с вакуумным кварцем и термостабилизацией

— нестабильность частоты, связанная с неточностью начальной установки частоты гетеродина при настройке

(1.4)

где — частота гетеродина.

— нестабильность частоты, связанная с неточностью начальной настройки и долговременной нестабильностью частоты фильтров в тракте УПЧ. Обычно

(1.5)

где — промежуточная частота.

Частоту гетеродина и промежуточную частоту для предварительного расчёта определяют приближенно по формулам:

Доплеровское смещение частоты определяется по формулам:

— в радиолокации и

— в импульсных каналах связи,

где — скорость перемещения объекта (передатчика или приёмника);

км/сек – скорость распространения радиоволн;

— несущая частота сигнала.

Для неподвижных объектов () .

Полоса пропускания супергетеродинного приёмника определяется фильтрами УПЧ.

При больших нестабильностях в тракте необходимая полоса пропускания приёмника (1) может оказаться недопустимо большой. При проектировании приёмников с высокой чувствительностью необходимо стремиться к минимальной полосе пропускания. В этом случае можно ужесточить требования к нестабильностям в тракте (Таблица 1.1, формулы (1.4),(1.5)) или применить автоподстройку частоты (АПЧ).В случае применения частотной АПЧ полоса пропускания приёмника вычисляется по формуле:

(1.6)

где — коэффициент автоподстройки.

Необходимо помнить, что применение АПЧ усложняет схему приёмника и возможна только при фиксированных частотах сигнала.

Комментариев нет

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Планы мероприятий
Игра викторина по ЭКОЛОГИИ-10 класс

  Цель игры «Викторина по экологии» : углубить экологические знания Весь класс разбит на четыре команды по 6 человек. Время обдумывания ответа -1 минута. Ведущий читает высказывания великих людей с паузами , там , где пропущены слова. Команды должны вставить эти слова «Оценивать … только по стоимости её материальных богатств- …

Задания
Хирургия и Реаниматология. Тесты. Методическое пособие

Тестовые задания. Хирургия и Реаниматология.   Профилактика хирургической инфекции. Инфекционная безопасность в работе фельдшера   Обезболивание   Кровотечение и гемостаз   Переливание крови и кровозаменителей, инфузионная терапия   Десмургия   Ведение больных в полеоперационном периоде   Синдром повреждения. Открытые повреждения мягких тканей. Механические повреждения костей, суставов и внутренних органов   …

Планы занятий
Профориентационный тест Л.А. Йовайши на определение склонности человека к тому или иному роду деятельности

ПРОФЕССИЯ – это вид трудовой деятельности человека, который требует определенного уровня знаний, специальных умений, подготовки человека и при этом служит источником дохода. Профессиональная принадлежность – одна из важнейших социальных ролей человека так как, выбирая профессию, человек выбирает себе не только работу, но и определенные нормы, жизненные ценности и образ жизни, …