Передатчик профессиональной мобильной (подвижной) радиосвязи
Министерство образования Республики Беларусь
Белорусский Государственный Университет
Информатики и Радиоэлектроники
Кафедра РТС
«К защите допускаю»
руководитель проекта
___________________
«___»_________2005г.
Пояснительная записка
к курсовому проекту
на тему:
«Передатчик профессиональной мобильной (подвижной) радиосвязи»
Руководитель проекта:
Минск 2005
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 4
1. Выбор, обоснование технических требований и структурной схемы передатчика 6
1.1. Технические требования к передатчику 7
1.2. Разработка структурной схемы 8
2. Выбор, обоснование и энергетический расчет принципиальной схемы 10
2.1. Тракт усиления ВЧ 10
2.2. Умножители частоты 12
2.3. Автогенератор и модуляционное устройство 13
3. Расчетная часть 14
3.1. Расчёт выходного каскада 14
3.2. Расчет предоконечного каскада 17
3.3. Расчет автогенератора 19
4. Разработка схемы КЗУ 22
5. Расчет КПД всего передатчика 23
Заключение 24
Литература 25
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Перечень элементов 26
Введение
При всем многообразии радиотехнических систем наличие в их составе радиопередатчика непременное условие выполнения системой своего функционального назначения. Условно РТС делят на 4 больших класса: передача информации, извлечение информации, радиоуправление, разрушение информации. В свою очередь, системы передачи информации объединяют такие виды связи, как: радиорелейная связь, связь через искусственный спутник Земли, сотовая связь, пейджерная связь, радиовещание и телевидение, телеметрия, передача команд. В настоящее время во многих станах ведется интенсивное внедрение сотовых сетей связи (ССС) общего пользования. Такие сети предназначены для обеспечения подвижных и стационарных объектов телефонной связью и передачей данных. В ССС подвижными объектами являются либо наземные транспортные средства, либо непосредственно человек, находящийся в движении и имеющий портативную абонентскую станцию (подвижный абонент). Особое значение ССС приобретают в связи с активным внедрением во все сферы человеческой деятельности персональных компьютеров, разнообразных баз данных, сетей ЭВМ. Доступ к ним через ССС позволит подвижному абоненту оперативно и надежно получить необходимую информацию. Соответственно возрастет и роль систем связи, повысятся требования к качеству передачи информации, пропускной способности, надежности работы. Ядром всех систем связи является радиопередатчик. Назначение передатчика — сформировать радиосигнал в соответствии с требованиями, установленными при разработке системы, и подвести его к антенне или линии связи. Радиосигнал — это колебание радиочастоты, один или несколько параметров которого изменяются (модулируются) в соответствии с передаваемым сообщением (информацией). Аналитически радиосигнал в общем виде описывается следующим образом:
I(t), f0,φ(t) — параметры радиосигнала i(t);
I(t) — амплитуда радиосигнала, изменяющаяся во времени t;
f0 — линейная частота радиосигнала;
φ(t) — фаза радиосигнала, изменяющаяся во времени.
Внедрение ССС во многие отрасли народного хозяйства позволит резко повысить производительность труда на подвижных объектах, добиться экономии материально-трудовых ресурсов, обеспечить автоматизированный контроль технологических процессов, создать надежную систему управления транспортными средствами или мобильными роботами, распределенными на большой территории и входящими в состав гибких автоматизированных систем управления.
Свое название ССС получили в соответствии с сотовым принципом организации связи, согласно которому зона обслуживания (территория города или региона) делится на большое число малых рабочих зон или сот в виде шестиугольников. В центре каждой рабочей зоны расположена базовая станция (БС), осуществляющая связь по радиоканалам с многими абонентскими станциями (АС), установленными на подвижных объектах, находящихся в ее рабочей зоне. Базовые станции соединены проводными телефонными линиями связи с центральной станцией (ЦС) данного региона, которая обеспечивает соединение подвижных абонентов с любыми абонентами телефонной сети общего пользования (ТФОП) с помощью коммутационных устройств. При перемещении подвижного абонента из одной зоны в другую производится автоматическое переключение канала радиосвязи на новую базовую станцию, тем самым осуществляется эстафетная передача подвижного абонента от передающей к последующей (соседней) базовой станции. Управление и контроль за работой базовых и абонентских станций осуществляет ЦС , в памяти ЭВМ которой сосредоточены как статические, так и динамические данные о подвижных объектах и состоянии сети в целом.
Эффективность использования спектра радиочастот в ССС во много раз выше, чем в централизованных системах подвижной связи, что позволит в перспективе обеспечить управление большим числом наземных подвижных объектов.
С уменьшением радиуса рабочей зоны появляется возможность уменьшить мощность передатчиков и чувствительность приемников, что значительно улучшит электромагнитную совместимость (ЭМС) абонентов в ССС и ЭМС между ССС и другими системами, использующими определенные спектры радиочастот, а также позволит снизить стоимость и габаритные размеры абонентской станции.
Внедрение ССС означает появление принципиально нового вида связи - массовой радиотелесвязи. Уже сейчас абонентский терминал ССС - сотовый радиотелефон (СРТ) - признается многими зарубежными экспертами первичным терминалом, которым абонент пользуется как в стационарном состоянии (дома, на службе), так и в движении. Широкое внедрение портативных СРТ в перспективе позволит обеспечить каждого человека персональным телефоном со своим индивидуальным номером.
Действующие в настоящее время ССС по сравнению с централизованными сетями имеют следующие преимущества:
- большое число абонентов;
- высокое качество передачи телефонных сообщений и данных;
- возможность связи с ЭВМ и базами данных;
- высокая
эффективность использования
Использование ССС широким кругом потребителей в отраслях транспорта, связи, энергетики, строительства, сферы обслуживания, ремонта и др. приносит существенный экономический эффект.
1. Выбор, обоснование технических требований и структурной схемы передатчика.
1.1. Технические требования к передатчику
На основе задания на курсовое проектирование составляем требования к передатчику. Параметры любого радио передающего устройства должны удовлетворять требованиям ГОСТа и рекомендациям МККР.
Одним из основных параметров передатчика, определяющего в основном дальность связи, является мощность. Так в соответствии с ГОСТ 12252-77 «Радиостанции с угловой модуляцией сухопутной подвижной связи» мощность должна лежать в пределах 0,1-50 Вт. При выборе выходной мощности следует учитывать следующие факторы: дальность связи, уровень внеполосных излучений, длительность работы аккумуляторных батарей, проблему «столкновения» в эфире. На основе выше сказанного и с учетом технического задания выходная мощность передатчика равна 30 Вт. В соответствии с ГОСТ выбираем в качестве диапазона модулирующих частот стандартный диапазон - 300¸3400 Гц.
Радиопередающее устройство проектируемой УКВ-ФМ радиостанции должно обеспечивать следующие технические характеристики:
1.Мощность
несущей при номинальном
2.Частота несущей
______________________________
3.Номинальное
напряжение питания_______________________
4.Коэффициент нелинейных искажений радиопередатчика _____ не более 2 %
5.Диапазон
модулирующих частот ___________________________
6.Относительная нестабильность несущей частоты ________________ 10-6
7.Сопротивление
выходного тракта ___________________________
8.Тип модуляции_______________
1.2. Разработка структурной схемы
Обобщенная структурная схема передатчика ФМ- сигналов включает в себя возбудитель и тракт радиочастоты.
Автогенератор предназначен для формирования высокостабильной несущей частоты. В общем случае возбудитель это достаточно сложное устройство, и часто выполняется в виде автономного устройства. В качестве возбудителя выбираем автогенератор с кварцевой стабилизацией. Для обеспечения требуемой стабильности частоты выбираем частоту значительно ниже рабочей частоты передатчика-25 МГц. В этом случае целесообразно выделять сигнал с автогенератора на высшей гармонике. В данном проекте сигнал будет выделен на четвертой гармонике.
Чтобы получить устойчивое генерирование в АГ с кварцевой стабилизацией необходимо применение кварцевых резонаторов на более низкой частоте. Для канала с несущей частотой 400 МГц выбираем кварцевый резонатор РГ-05ПН-25МГц. Очевидна необходимость умножения частоты на 4. Следовательно, выбираем схему, состоящую из двух транзисторных умножителей частоты с коэффициентом умножения N=2.
Структурная схема тракта передачи ФМ радиостанции приведена на рис.1
Рис.1.Радиопередающее устройство. Схема электрическая структурная.
Тракт радиочастоты предназначен для усиления сигнала до требуемого уровня и формирования излучаемого спектра. Проведём ориентировочный расчет числа усилительных каскадов. Исходя из требований стабильности частоты, задаемся выходной мощностью автогенератора равной 1-15 мВт. Выходную мощность с учетом потерь в фильтрующих цепях рассчитываем по формуле:
Рвых УМ2=Рвых А/hсц
где Рвых УМ2 - мощность на выходе оконечного усилителя мощности УМ2;
Рвых А – выходная мощность передатчика;
hсц – КПД согласующих цепей (hсц=0,8).
Рвых УМ2=30/0,8=37,5 Вт
Сквозной коэффициент усиления находим как
, (2)
где РВЫХГ - мощность на выходе автогенератора;
РВЫХУМ2 - выходная мощность УМ2.
Кр=37,5/15·10-3=2500
Кр=33,98 дБ;
Принимая во внимание, что современные высокочастотные транзисторы позволяют получить Кр в пределах 5-8 дБ и выше, выбираем тракт усиления, состоящий из 2 каскадов.
Для оконечного УМ2 выбираем транзистор КТ930А. Рассчитаем ориентировочно коэффициент усиления по мощности. Он мало зависит от схемного построения каскада, режима работы и определяется обычно максимально допустимым током коллектора, напряжением, в меньшей степени допустимой рассеиваемой мощностью. При расчете используют экспериментальные данные P`, f `, K`P, которые приведены в таблице 1.
Таблица 1
Тип транзистора |
f `, МГц |
P`, Вт |
K`P |
E`K, B |
Режим работы |
КТ930А |
400 |
40 |
5 |
28 |
B |
При ориентировочном расчете КР исходим из того, что транзистор включен по схеме с ОЭ и работает в ключевом режиме. Находим КР
(3)
KP=5·(400/400)2=5
KP=7 дБ
Для предоконечного каскада выбираем транзистор КТ942А. Его параметры приведены в таблице 2.
|
Тип транзистора |
f `, МГц |
P`, Вт |
К`Р |
Е`К, В |
Режим работы |
КТ942А |
2000 |
10 |
2,5 |
28 |
В |
Аналогично вышеизложенному находим КР: 1
KP= 2,5(2000/400)2=62,5
KP= 17,96 дБ
Рассчитаем ориентировочно мощность на входе второго усилителя мощности при известном значении Кр.
Рвх УМ2=37,5/5=7,5 Вт
Учитывая коэффициент передачи цепи связи между двумя усилителями мощности, можно рассчитать мощность на выходе первого усилителя. Она будет равна:
Рвых УМ1=7,5/0,8=9,3 Вт
Воспользовавшись полученным значением мощности на выходе первого усилителя и его KP, можно рассчитать мощность на входе первого усилителя. Она будет равна:
Рвх УМ1=9,3/62,5=0,15 Вт.
Приняв КПД цепи связи, между удвоителем частоты и первым усилителем УМ1, равным 0,8, рассчитаем мощность на выходе УЧ2:
Рвых УЧ2=0,15/0,8=0,186 Вт
В данном курсовом проекте будем использовать УЧ на мощном СВЧ транзисторе, выполненный по схеме с ОЭ. УЧ1и УЧ2 будут выполнены по одной и той же схеме на транзисторе КТ904А. Его параметры приведены в таблице 3.
Тип транзистора |
f `, МГц |
P`, Вт |
К`Р |
Е`К, В |
Режим работы |
КТ904А |
400 |
8 |
5,2 |
28 |
В |
Оптимизируя по мощности данный умножитель частоты (для удвоителя оптимальный угол отсечки Ө=60°) c использованием транзистора КТ904А, можно получить Кр=5,2.
При этом мощность на входе второго умножителя частоты будет равна:
Рвх УЧ2=0,186/5,2=0,035 Вт
Приняв к.п.д. цепи связи, между первым умножителем частоты и вторым умножителем, равным 0,7, рассчитаем мощность на выходе первого умножителя частоты:
Рвых УЧ1=0,035/0,7=0,051 Вт
Так как параметры умножителей частоты будут идентичными, то мощность на входе первого умножителя частоты будет равна:
Рвх УЧ1=0,051/5,2=9,8·10-3 Вт
Зная мощность на входе первого умножителя частоты и коэффициент передачи цепи связи (0,7) можно рассчитать выходную мощность автогенератора:
Рвых АГ=9,8·10-3/0,7=14·10-3 Вт
Полученное значение выходной мощности находится в пределах выходной мощности, обеспечиваемой современными автогенераторами.
2. Выбор, обоснование и энергетический расчет принципиальной схемы
- Тракт усиления ВЧ
Принципиальная электрическая схема выходного каскада усилителя мощности приведена на рис.2
Рис.2. Усилитель мощности УМ 2
Усилитель УМ2 выполнен на транзисторе VT1 включенном по схеме с ОЭ. Транзистор работает в режиме B. Питание активного элемента осуществляется по параллельной схеме. Элементами Сф и L2 исключаются потери мощности высокой частоты в источнике питания и устраняется нежелательная связь между каскадами передатчика через источник питания. Индуктивность L1 совместно с емкостью С2 УМ1 образует параллельный колебательный контур, настроенный на резонансную частоту, соответствующую частоте рабочего сигнала (f=400 МГц).
К выходу каскада подключен фильтр для согласования с антенной и фильтрации высших гармоник.
Принципиальная схема АФ приведена на рис.3.
Рис.3. Схема АФ электрическая принципиальная
АФ представляет собой ФНЧ. Нагрузкой фильтра является штыревая антенна с волновым сопротивлением 50 Ом. АФ служит для подавления высших гармоник сигнала и согласования УМ2 с антенной.
Первый каскад усилителя мощности (УМ1) выполнен на транзисторе VT1 (рис.4). Транзистор также включен по схеме с ОЭ. Питание коллектора выполнено по параллельной схеме. Нагрузкой каскада является колебательный контур, образованный емкостью С2 и индуктивностью L1 следующего каскада.
Рис.4. Усилитель мощности УМ 1. Схема электрическая принципиальная.
Питание базы осуществляется по схеме с фиксированным напряжением. Резисторы R1 и R2 представляют собой базовый делитель. Подбором резистора R2 выбирается режим транзистора по постоянному току. Через разделительную емкость С1 на вход УМ1 поступает сигнал с предыдущего каскада.
2.2. Умножители частоты
Как было сказано выше, необходимо умножение частоты задающего генератора в 4 раза. Это легко осуществить, используя 2 умножителя частоты с коэффициентом умножения N=2. Нагрузкой умножителей является одиночный колебательный контур. Второй умножитель частоты выполнен на транзисторе VT1 (рис. 5).
Рис.5. Умножитель частоты УЧ 2. Схема электрическая принципиальная.
Питание базы осуществляется по схеме с фиксированным напряжением. Подбором резистора R2 выбирается режим транзистора по постоянному току. Нагрузкой транзистора VT1 является колебательный контур, включающий индуктивность L1 и конденсатор C1, настроенный на четвертую гармонику сигнала, поступающего с задающего генератора.
Первый умножитель частоты выполнен на транзисторе VT1 (рис. 6).
Рис.6. Умножитель частоты УЧ 1. Схема электрическая принципиальная.
Питание базы осуществляется по схеме с фиксированным напряжением. Подбором резистора R2 выбирается режим транзистора по постоянному току. Нагрузкой транзистора VT1 является колебательный контур L1,C1, настроенный на вторую гармонику сигнала, поступающего с задающего генератора.
2.3. Автогенератор и модуляционное устройство
В данном курсовом проекте, как было уже сказано, используется автогенератор с кварцем между коллектором и базой. Прямую стабилизацию частоты АГ с помощью кварцевого резонатора (КР) широко применяют в возбудителях радиопередающих устройств, когда нестабильность частоты за длительный промежуток времени не должна превышать . Частота колебаний в автогенераторе и ее нестабильность определяются в основном резонатором. Нестабильность частоты АГ зависит не только от конструктивного оформления, но и от условий и режима работы КР, особенно от мощности Ркв, рассеиваемой на нем. Для уменьшения нестабильности частоты и повышения эксплуатационной надежности АГ мощность Ркв не должна превышать допустимого значения Рквдоп, указанного в справочных данных. Принципиальная схема кварцевого генератора представлена на рисунке 7.
Рис.7. Принципиальная схема АГ.
На рисунке 8 представлено модуляционное устройство, построенное на варикапе. Оно представляет собой колебательный контур, состоящий из нелинейной емкости (варикапа). Для управления фазой на варикап через интегрирующую цепочку подается напряжение. Оно состоит из постоянного смещения Е0 и переменной НЧ составляющей. При всех изменениях режима напряжение на переходе не должно выходить за пределы:
-
где Uпmax-допустимое обратное напряжение на переходе, при котором еще не возникает лавинный пробой.
Рис.8.Модуляционное устройство. Принципиальная схема.
Для развязки выходного контура автогенератора и модуляционного устройства между ними необходимо поставить эмиттерный повторитель в качестве согласующего устройства. Коэффициент передачи по мощности МУ меньше единицы. Потерю мощности в нем скомпенсирует повторитель, то есть его Кp всегда можно подобрать таким, чтобы с Кp МУ получить Кpобщ= Кpэп* Кpму=1.
3. РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ
3.1. Расчёт выходного каскада (УМ 2)
Исходными положениями для расчета является работа в ключевом режиме с углом отсечки q<90 градусов.
Тип тр. |
Параметры идеализированных статических характеристик |
Высокочастотные параметры | |||||||||||
r нас, Ом |
rб, Ом |
re, Ом |
Rэу, КОм |
E’, В |
Β0 |
fт, МГц |
Cк, пф |
Се, пф |
Le, нГн |
Lб, нГн |
Lк, нГн | ||
КТ930А |
0.5 |
0.15 |
0.05 |
0.5 |
0.7 |
40 |
900 |
60 |
800 |
0.4 |
1.8 |
1.8 | |
Тип тр. |
Предельно допустимые значения |
Тепловые параметры |
Экспериментальные данные | ||||||||||
Uкбдоп, В |
Uкедоп, В |
Uбедоп, В |
Iкмакс, А |
Iб0доп, А |
t°пдоп |
Rпк, °/Вт |
f’, Мгц |
P’, Вт |
К’р |
η, % |
E’к, В |
Реж. | |
КТ930А |
- |
50 |
5 |
6 |
1 |
50 |
1.8 |
400 |
40 |
5 |
50 |
28 |
B |
1. Находим амплитуду первой гармоники напряжения на коллекторе.
где rнас=0,5 Ом находим по справочнику.
Uk=23,149 B
2. Находим максимально допустимое напряжение на коллекторе
(2)
Uk max=49,149 B < 50 B
3. Находим амплитуду первой гармоники коллекторного тока
Ik1=2,851 A
4. Постоянная составляющая тока
(4)
Ik0=1,819 A < 2 A
5. Находим допустимую величину коллекторного тока
(5)
где IkD-допустимое значение Ik max.
Ik max=5,702 A < 6 A
6. Потребляемая мощность
7. К.П.Д. коллекторной цепи
8. Находим рассеиваемую на коллекторе мощность
PРАС=14,294 Вт
9. Эквивалентное сопротивление нагрузки
Rэ=8,119 Oм
10. Рассчитаем величину индуктивности L2 по формуле
L3>>1,592·10-8 Гн
Выберем величину L3 равной 0,2 мкГн.
11. Рассчитаем величину емкости Сф по формуле
,
где
Rап£4,0406 Ом
Сф=9,766·10-9 Ф
Расчёт входной цепи
При расчёте входной цепи считаем, что входная цепь возбуждается гармоническим сигналом. Предварительно рассчитаем сопротивления резисторов R1, R2. Резистор R2 предназначен для выравнивания постоянных времени эмиттерного перехода в открытом и в закрытом состоянии. Его сопротивление находится как
,
где fT - граничная частота усиления;
СЭ - эквивалентная емкость эмиттерного перехода;
RЭУ - сопротивление утечки.
R2=9 Ом
Сопротивление R1 найдем как
R1=381 Ом
Расчет проведем, используя эквивалентную схему усилителя с ОЭ.
Табличные данные:
Tp=160, r’b=0.5, h21e=10, rk=rb, U’=0, Uv0=0.6 .
1.Находим амплитуду тока базы
,
где
где Cк - емкость коллекторного перехода (60 пФ).
Iб1=5,471А
2. Находим постоянные составляющие базового и эмиттерного тока
IБ0=0,045 A
IЭ0=1,864 A
3. Рассчитываем эквивалентные параметры входной цепи и активную составляющую входного сопротивления
(17)
Lвх оэ=1,851 нГн, где
, (18)
где Ска выбирается из расчета (0,1-0,3)Ск.
rвх оэ=0,179 Ом
(19)
Rвх оэ=13,599 Ом
(20)
Rвх=0,222 Ом
6. Находим входную мощность
(21)
Pвх=3,32 Вт
7.Находим коэффициент усиления , Kp=9,93
3.2. Расчет предоконечного каскада
Тип тр. |
Параметры идеализированных статических характеристик |
Высокочастотные параметры | |||||||||||
r нас, Ом |
rб, Ом |
re, Ом |
Rэу, КОм |
E’, В |
Β0 |
fт, МГц |
Cк, пф |
Се, пф |
Le, нГн |
Lб, нГн |
Lк, нГн | ||
КТ942А |
3.8 |
0.25 |
0.18 |
0.6 |
0.7 |
50 |
3000 |
17 |
120 |
0.4 |
1.8 |
1.8 | |
Тип тр. |
Предельно допустимые значения |
Тепловые параметры |
Экспериментальные данные | ||||||||||
Uкбдоп, В |
Uкедоп, В |
Uбедоп, В |
Iкмакс, А |
Iб0доп, А |
t°пдоп |
Rпк, °/Вт |
f’, Мгц |
P’, Вт |
К’р |
η, % |
E’к, В |
Реж. | |
КТ942А |
- |
48 |
3.5 |
2 |
1 |
150 |
0.83 |
2000 |
11 |
2.25 |
30 |
28 |
B |
