Приемник ЧМ сигналов

Введение

 

Радиоприемным устройством называют совокупность взаимосвязанных элементов, с помощью которых усиление радиосигналов, преобразование их формы с одновременным  увеличением мощности и извлечением  заложенной в них информации. По своему происхождению принимаемые  сигналы могут быть искусственными и естественными. В первом случае они создаются радиопередающими устройствами, а во втором – за счет различных процессов, происходящих в природе (газовые разряды, радиоизлучения планет).

Простейшее радиоприемное устройство содержит три блока: антенна, радиоприемник, оконечное устройство. Приемная антенна  выполняет первую основную функцию  радиоприемного устройства – улавливает энергию электромагнитного поля соответствующего принимаемому сигналу, и превращает ее в электрический  сигнал. Радиоприемник осуществляет вторую основную функцию радиоприемного устройства – преобразует электрический  сигнал, полученный от антенны, и усиливает  его. Это преобразование выполняется, так чтобы обеспечить нормальную работу оконечного прибора, который  третью основную функцию радиоприемного устройства – позволяет извлечь  из принятого сигнала полезного  информацию. Следовательно, радиоприемник  является необходимой составной  частью радиоприемного устройства.

 

Радиоприемники можно классифицировать по ряду признаков, из которых основными  являются:

 

1)тип схемы

2)вид принимаемых сигналов

3)назначение приемника

4)диапазон частот

5)вид активных элементов

6)тип конструкций

При проектировании радиоприемников  в техническом задании приводятся основные технические требования, предъявляемые  к разрабатываемому радиоприемнику. К ним относятся:

1) чувствительность – способность  обеспечить нормальный прием  слабых сигналов

2)избирательность – способность  выделить полезный сигнал из  суммы всех сигналов и помех,  создающихся в приемной системе

3)помехоустойчивость – способность  обеспечивать достоверный прием  полезной информации при действии  помех

4)диапазон частот – интервал  частот, в пределах которых он  должен обеспечить нормальный  прием сигналов

5)качество воспроизведение определяется  степенью искажений приемного  сигнала, вносимых приемником

6)выходная мощность, обеспечивает  необходимое усиление приминаемых  сигналов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Техническое задание

 

Вариант 17

Разработать радиоприемное устройство системы сухопутной подвижной связи

1. Диапазон рабочих частот                                                           470-486 МГц

2. Чувствительность при отношении  сигнал/шум

12 дБ не более в симплексном  режиме                                                  -0,8мкВ;

в дуплексном режиме                                                                               - 1 мкВ.

3. Избирательность по соседнему  каналу в полосе частот не  менее      80дБ

4. Избирательность по побочным  каналам приема не менее                      70дБ

5. Интермодуляционная избирательность  не менее                                       70дБ

6. Разнос между соседними каналами  приема                                          25кГц

7. Класс излучения                                                                                      F1B

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Эскизный расчет приемника

Выбор структурной  схемы приемника.

 

Исходя из требований технического задания и рекомендаций, выбираем супергетеродинную схему приемника  с одним преобразованием частоты. Это обеспечит необходимую чувствительность и избирательность приемника.

Приемник ЧМ сигналов должен содержать  систему автоподстройки частоты, это  обеспечит стабильную настройку  и улучшит избирательность приемника.

По техническому заданию в приемнике  должна быть реализована система  автоматической регулировки уровня.

Исходя из вышеизложенного принимаем  структурную схему приемника  следующей.

 

 

 

 

 

Структурная схема приемника

Где:

 

ВЦ – входные цепи,

УВЧ – усилитель высоких частот,

СМ – смеситель,

УПЧ – усилитель промежуточной  частоты,

ОА – ограничитель амплитуды,

Д_чм – детектор ЧМ сигналов,

УНЧ – усилитель низких частот,

ОА – оконечный аппарат,

Г – гетеродин,

УПР – управитель,

Ф_АПЧ – фильтр АПЧ,

Ф_АРУ – фильтр АРУ,

Д_АРУ – детектор АРУ.

 

 

1 Входная цепь

Входная цепь  – часть радиоприёмника, стоящая между антенной (фидером) и первым каскадом приёмника, т.е. усилителем и преобразователем частоты.

Входная цепь предназначена для  передачи возможно большей мощности (или напряжения) радиосигнала от антенно-фидерного  устройства на вход первого каскада  и для осуществления частотной  селективности радиосигнала.

Входная цепь с LC связью с  антенной. Обеспечивается неравномерность коэффициента передачи по диапазону и, следовательно, используют комбинированную связь входного контура с антенной. В этой схеме энергия из антенны во входной контур передаётся не только через магнитную связь между катушкой L_св и катушкой контура L, но и через ёмкость связи С_св. при правильном фазировании катушек L_св и L напряжение сигнала, передаваемое через С_св, будет суммироваться с напряжением, передаваемым через индуктивную связь.

Влияние антенны при комбинированной  связи больше, чем при ёмкостной  или индуктивной связи. Ёмкостная  связь увеличивается с увеличением  частоты, поэтому вносимое затухание  также увеличивается к концу  диапазона, что приводит к ухудшению  избирательности по зеркальному  каналу.

1. Усилитель радио частоты (высокой частоты)

 

Схема транзисторного каскада резонансного усилителя с двойным неполным включением, при этом вход следующего каскада подключен к контуру  трансформаторной связью. УРЧ следует непосредственно за ВЦ и выполняют многочисленные функции:

• усиление принимаемых сигналов на несущей частоте;
• обеспечение избирательности приёмника к сильным помехам;
• ослабления паразитного излучения гетеродина через ВЦ и антенну.

Резонансный УРЧ содержит колебательный  контур. Также УРЧ обладает частотной  избирательностью.

2. Преобразователь частоты

 

Преобразователь частоты располагается  между УРЧ и усилителем промежуточной  частоты (УПЧ).

В преобразователе частоты происходит преобразование колебаний, принятых радиоприёмником  сигналов одной частоты в колебания  другой частоты. При преобразовании частоты происходит линейный перенос  спектра принимаемого сигнала по шкале частот из одной части радиочастотного  диапазона в другой без изменения  амплитудных и фазовых соотношений  его составляющих. Для модулированных сигналов это означает повышение  или понижение несущей частоты  с сохранением вида и закона модуляции.

1.3Усилитель промежуточной частоты

 

УПЧ следует непосредственно за линейной частью супергетеродинного приёмника  и предназначен для усиления сигналов на фиксированной (промежуточной) частоте в полосе частот, определяемой шириной спектра принимаемого сигнала. Полоса пропускания УПЧ (для большинства диапазонов) по сравнению с полосой пропускания ВЦ и УРЧ самая узкая, поэтому от её величины будут зависеть частотные искажения сигнала и избирательность по соседнему каналу. УПЧ называют полосовым усилителем, т.к. в большинстве случаев нагрузкой каскада УПЧ служит полосовой фильтр, в качестве которого применяются схемы из двух, трёх и более связанных контуров, фильтров сосредоточенной селекции (избирательности), и т.д.

УПЧ обеспечивает основное усиление принимаемых сигналов на промежуточной  частоте.

В УПЧ, также как и в УРЧ, входят усилительный прибор и резонансная  цепь. Для обеспечения высокой  избирательности в УПЧ применяются  сложные избирательные схемы  – ФСС.

1.4 Ограничитель амплитуды

 

Амплитудные изменения ЧМ-сигнала обуславливаются влиянием различного вида помех, недостаточной прямоугольностью частотной характеристики приёмника. Неравномерность частотной характеристики в полосе пропускания высокочастотного тракта приводит к тому, что сигналы спектра, частоты которых мало отличаются от несущей, усиливаются в большей степени, чем сигналы крайних боковых частот. В результате ЧМ-сигнал дополнительно модулируется по амплитуде. Для устранения этих амплитудных искажений применяется ограничитель уровня.

1.5 Частотный детектор

 

Дробный детектор нечувствителен к  быстрым амплитудным изменениям ЧМ-сигнала, благодаря чему может не применяться ограничитель амплитуды. Кроме того, он позволяет снизить требуемый коэффициент усиления, т.к. при отсутствии ограничителя уровня действует при меньшем входном напряжении сигнала.

1.6 Гетеродин

 

Гетеродин формирует вспомогательные  гармонические колебания для  преобразователя частоты. Основные требования, предъявляемые к гетеродину:

• обеспечение необходимого значения рабочей частоты и перестройки её в заданном диапазоне;
• стабильность частоты генерируемых колебаний;
• обеспечение необходимой амплитуды выходного напряжения и её постоянство;
• минимальный уровень гармоник выходного напряжения.

Простейшие гетеродины представляют собой однокаскадные генераторы с самовозбуждением на транзисторах. Такие гетеродины находят применение в радио- и телевизионных приёмниках, а также в некоторых профессиональных устройствах, в которых не требуется высокая точность настройки.

В качестве контурного конденсатора можно использовать варикап, тогда  осуществляется электронная настройка  гетеродина, упрощается решение задачи дистанционного управления.

1.7 Блок автоматической подстройки частоты

 

В приёмниках различного назначения для предотвращения ухода частоты  радиосигнала за пределы полосы пропускания  широко применяются системы автоматической подстройки частоты. Такие системы  позволяют реализовать более  узкую полосу пропускания линейного  тракта приёмника, что особенно важно  при повышенных требованиях к  его чувствительности и помехозащищённости. Главное назначение АПЧ – стабилизация частоты независимо от причины её изменения.

1.8 Усилитель промежуточной частоты

 

Предварительный каскад: предназначен для того, чтобы усилить входной сигнал до такой величины напряжения и мощности, при которой будет нормально работать оконечный каскад. Предварительный усилитель может состоять из одного или нескольких каскадов в зависимости от требований общего коэффициента усиления предварительного усилителя.

В зависимости от назначения каскад предварительного усилителя может  быть резисторным или трансформаторным. Наименьшую величину частотных искажений  создаёт резисторный усилитель, т.к. для сравнительно широкого спектра  частот входного сигнала нагрузка усилительного  прибора является активной и, следовательно, её величина не зависит от входного сигнала. Резисторный каскад проще  по конструкции, поэтому шире применяется.

Оконечный каскад: в основном для обеспечения на выходе усилителя необходимой мощности или напряжения сигнала при допустимых частотных и нелинейных искажениях. В зависимости от предъявляемых к усилителю требований в оконечном каскаде могут применяться одно- и двухтактные схемы с трансформаторным и бестрансформаторным выходом. Двухтактные схемы по сравнению с однотактными обеспечивают удвоенную выходную мощность и малую величину нелинейных искажений за счёт полной или частичной компенсации чётных гармоник.

В оконечных бестрансформаторных транзисторных каскадах применяются схемы с ОК и ОЭ в цепи ООС, имеющие малое выходное сопротивление, что даёт  возможность включить нагрузку непосредственно в выходную цепь транзистора без выходного трансформатора.

Для стабильности режима транзисторов оконечного каскада применяется  температурная компенсация с  помощью терморезистора.

 

 

 

 

Определение поддиапазонов и расчет полосы пропускания линейного тракта.

 

Для определения числа поддиапазонов найден коэффициент перекрытия по диапазону:

 

 

Коэффициент перекрытия поддиапазона оказался меньше 3 поэтому разбивать на поддиапазоны не нужно.

 

Рассчитаем общий коэффициент  передачи напряжения:

 

, где  = 1,75

         - сопротивление на нагрузке

         - выходная мощность на нагрузке

        – чувствительность

отсюда

 

 

Разобьём общий коэффициент  передачи напряжения по каскадам:

 

 

- коэффициент  передачи напряжения входной цепи

- коэффициент  передачи напряжения усилителя радиочастоты

- коэффициент  передачи напряжения смесителя

- коэффициент передачи напряжения полосового фильтра

- коэффициент  передачи напряжения детектора

- коэффициент  передачи напряжения усилителя низкой частоты

 

Отсюда найдём коэффициент передачи мощности усилителя промежуточной  частоты:

 

 

Оглавление

Введение 3

Задание  5

Выбор структурной схемы приемника. 6

1 Входная цепь 7

1.1 Усилитель радио частоты (высокой частоты) 7

1.2 Преобразователь частоты 8

1.3Усилитель промежуточной частоты 8

1.4 Ограничитель амплитуды 9

1.5 Частотный детектор 9

1.6 Гетеродин 9

1.7 Блок автоматической подстройки частоты 10

1.8 Усилитель промежуточной частоты 10

Определение поддиапазонов и расчет полосы пропускания линейного тракта. 12

Выбор типа, схемы и электронных приборов первых каскадов приемника для обеспечения заданной чувствительности. 13

Электрический расчет функциональных узлов схемы

Расчет входной цепи приемника 21

Расчет усилителя радиочастоты (высокой частоты) 23

Расчет гетеродина…………………………………………………………………………………….25

Заключение. 29

Список литературы 30

 

Выбор типа, схемы  и электронных приборов первых каскадов приемника для обеспечения заданной чувствительности.

 

Выбор типа и схемы преселектора определяется в первую очередь допустимым коэффициентом шума приемника Nд.

Исходя из формулы  допустимый коэффициент шума приемника определится так:

Nд<[(E²/g_вх²) – E_п²П_ш]h_д²/4kT₀П_шR_a,

где

E – напряженность поля возле  антенны,

g_{вх –} отношения сигнал/шум на входе приемника,

E_п – напряженность поля внешних помехпомех,

П_ш » 1.1 П – шумовая полоса линейного тракта,

h – действующая высота антенны,

k=1.38*10^-23 – постоянная Больцмана,

T₀=290K – стандартная температура приемника,

Ra – внутреннее сопротивление антенны (50 Ом).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подставляя следующие данные

E=25мВ/м,

Е_п определим как корень из суммы квадратов парциальных напряженностей шумов. По рисунку 1.3 определяем, что для работы приемника при атмосферных шумах (0.3мкВ/м), в пределах промышленной зоны (50мкВ/м) и действующих космических шумах (0.1 мкВ/м), Eп составит 50мкВ/м.

П_ш = 1.1 * 37кГц=40.7 кГц (округлим до 41кГц.)

h_д=0.6*1/4lв=7.5

g_вх=g_вх/m ,

где g_вх=6 – отношение сигнал/шум на выходе приемника для нормального приема сообщений на слух.

m=3 - индекс модуляции.

В итоге - g_вх=2,

Как видно, допустимый коэффициент  шума достаточно велик, это можно  объяснить не очень жесткими требованиям по чувствительности.

На основании данных и c учетом диапазона рабочих частот, полученный коэффициент шума приемника может быть обеспечен при одном каскаде УВЧ и смесителе по схеме с общим эмиттером на транзисторах КТ633Б.

Для данного транзистора fгр>300МГц, и условия равномерности усиления в диапазоне частот будет соблюдено.

Справочные данные для транзистора:

 

fгр=480МГц,

Nт<10, тогда возьмем Nт=5

½Y₂₁½=30мА/В,

g₁₁=0.6мСм,

g₂₂=5мкСм,

g₁₂=3мкСм,

С₁₁=70пФ,

С₂₂=10пФ,

С_к=4пФ.

Рассчитаем недостающий параметр :  
½Y₁₂½=wC_к=2*p*8МГц*4пФ=0.2мСм,

Определим коэффициент шума УВЧ  и УПЧ, полагая, что он примерно равен  коэффициенту шума первого каскада  УПЧ.

Для первого каскада УВЧ с  ОЭ, а также для УПЧ

N_УРЧ=N_УПЧ=2*N_Т=2*5=10.

Для ПЧ с ОЭ

N_ПЧ=4*N_Т=20.

Определим коэффициенты передачи мощности УВЧ, УПЧ и ПЧ.

Кр_УВЧ=Кр_УПЧ=0.15 ½Y₂₁½/½Y₁₂½=0.15* 28/0.2=21

Кр_ПЧ=0.07 ½Y₂₁½/½Y₁₂½=10.5

Полагая, что в приемнике будет  использоваться одноконтурная ВЦ (такое  предположение основано на стремлении обеспечить требуемые характеристики приемника возможно более простыми средствами), и принимая коэффициент связи с антенной не более половины оптимального, по формулам таблицы 1.3  находим коэффициент передачи мощности одноконтурной ВЦ.

Кр_ВЦ=1/(1+(Ксв/Ксв.опт))= 1/(1+(0.5/1))=0.7,

где К св – коэффициент связи входного контура с антенной,

К св. отп – оптимальный коэффициент связи.

Коэффициент шума входной цепи

N_ВЦ=1/Кр_ВЦ=1/0.7=1.43.

 

Полученные результаты используем для расчета коэффициента шума приемника  по формуле .

=

 

 

 

Полагая, что коэффициент шума усилителя  первой промежуточной частоты (УПЧ1) примерно равен коэффициенту шума его первого каскада, определяем коэффициенты шума УРЧ, первого смесителя и УПЧ1 

,

Вычисляем коэффициенты передачи мощности УРЧ, первого смесителя и УПЧ 1:

Полагая далее, что в приемнике будет  использоваться одноконтурная входная  цепь (такое предположение основано на стремлении обеспечить требуемые  характеристики приемника возможно более простыми средствами), и принимая коэффициент связи с алтейной не более половины оптимального, по формулам находим коэффициент передачи мощности входной цепи:

- коэффициент связи    входного   контура с антенной;

- оптимальный коэффициент связи.

 

Коэффициент шума входной цепи:

Полученные  результаты используем для расчета  коэффициента шума приемника по  формуле :

 

                17,11

 

 

 

Расчёт входной  цепи приёмника

 

В данной схеме  приёмника применена входная  цепь с ёмкостной связью антенной.

 

 

 

 

 

 

 

Схема контура  входной цепи.

Исходные данные:

-диапазон рабочих частот fmin fmax=470 486 МГц

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выбор схемы усилителя высокой частоты

 

Наиболее  распространённой схемой в транзисторных  приёмниках оказалась схема с  двойной автотрансформаторной связью. Коэффициенты m1 и m2 целесообразно выбирать так, чтобы на нижней частоте диапазона обеспечить заданную полосу пропускания, а на верхней избирательность. Относительная расстройка  контура входной и выходной ёмкости транзисторов практически не зависит от величины коэффициентов включения m1 и m2.При увеличении связи контура с транзистором вносимая расстройка компенсируется расширением полосы пропускания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выбор схемы усилителя промежуточной  частоты

 

УПЧ используется для усиления промежуточной  частоты сигнала. Фильтр сосредоточенной  селекции должен обеспечить избирательность  приёмного устройства по соседнему  каналу, а необходимое усиление обеспечивается предыдущим широкополосным каскадом приёмника.

Применение ФСС в транзисторных  приёмниках позволяет выполнить  каскад УПЧ без нейтрализации, что  повышает их устойчивость и надежность, а также значительно упрощает производство.

  Схема усилителя промежуточной частоты имеет вид:

 

 

 

 

 

 

Выбор схемы частотного детектора

 

При выборе детектора следует учитывать  род работы, вид модуляции, преимущества и недостатки различных схем, а  также необходимо минимальное напряжение на его входе для работы с минимальными искажениями. В приёмниках радиосвязи и радиовещания чаще всего применяют  детекторы на полупроводниковых  диодах. При частотной модуляции  применяются частотные детекторы, среди которых различают детекторы  с взаимно расстроенными контурами, дифференциальные детекторы, с индуктивной  либо ёмкостной связью между контурами, а также дробные детекторы.

 

 

 

 

 

 

Электрический расчет функциональных узлов схемы

Расчет входной цепи приемника

 

В данной схеме  приёмника применена входная  цепь с ёмкостной связью антенной.

Рисунок 8. Схема контура входной цепи.

 

 

Исходные данные:

-диапозон рабочих частот fmin fmax=470 486 МГц

-пределы изменения ёмкости контура  Сmin Cmax=(5 25) пФ

-параметры антенны Са=150пФ, rа=75 Ом

-промежуточная частота  fпр=10,7 Мгц

-дополнительная  ёмкость Сдоп=10пФ

           Выбираем  максимальную ёмкость связи:

 

 

 

 

 

          Полная ёмкость входного контура для трёх точек диапазона:

  - начало  диапазона: 

 

  - середина диапазона:

 

- конец диапазона:

         Коэффициент перекрытия по диапазону:                                                                                                       

 

что соответствует  диапазону.

       Индуктивность катушки контура:

  

        Сопротивление потерь контура:

  

        Коэффициент передачи в трёх точках диапазона:

  - по минимальной частоте:

 

  - на средней частоте:

  - на максимальной частоте:

 

      Коэффициент неравномерности  передачи напряжения:

 

 

     Таким образом проведённый расчёт оказался верным и окончательно примем:

  - ёмкость связи: Ссвмах=22 пФ

    - индуктивность: L=432 нГн

 

 

 Расчет усилителя радиочастоты (высокой частоты)

 

Производим  расчёт схемы  усилителя радиочастоты представленном на рисунке 3.

Исходные  данные:

-диапозон рабочих частот fmin fmax=470 486МГц

-пределы  изменения ёмкости контура Сmin Cmax=(5 25) пФ

Qэmax=12; Qэmin=14; Qк=24;

S=280мА/В; Rвх=380Ом; Rвых=2,2кОм; Jк=30мА; Ск=12пФ

Максимально устойчивый коэффициент усиления:

Ку=       

Характеристическое  сопротивление контура на крайних  частотах диапозона:

    

       

 

Зададимся величиной  напряжения:

Определим сопротивление  термокомпенсации:

   

 где V=4   -коэффициент нестабильности схемы:

     

Емкость в  цепи эмитерра:

     

 

Рассчитаем  входное сопротивление каскада:

      

R’вх=86 Ом

Разделительная  ёмкость:

     

   

Индуктивность контура:

Выбираем  , тогда определяется как:

  

Т.о. получим:      

         

 

Расчет Гетеродина

Схему гетеродина выбирают исходя из заданного диапазона  частот  .

В гетеродине тип связи транзистора выбирается по предельной частоте:

 

В этих схемах используются сравнительно высокочастотные (как правило дрейфовые) маломощные транзисторы типа П401, П402, П403, ГТ301, ГТ3-8, ГТ309.

Расчёт контура гетеродина

Конденсатор переменной ёмкости С_К берут в контуре гетеродина таким же, как и в контуре УРЧ для того, чтобы при одинаковом изменении ёмкости конденсатора настройки в контуре гетеродина и контурах высокой частоты обеспечить с достаточной точностью постоянство промежуточной частоты.

Рисунок 9. Схема гетеродина.

 

Для этого  включают в контур конденсаторы С_пар и С_пос.

1.Ёмкость  схемы принимают такой же, как  для контуров ВЧ.

пФ

2.Средняя  частота диапазона:

МГц

Коэффициент перекрытия диапазона:

Максимальная  ёмкость контура:

 пФ

Вспомогательные коэффициенты:

 

При находим коэффициент и определяем индуктивность катушки контура:

мкГн

По номограмме рисунок 50, а, б , при и пФ определяем пФ, пФ, т.к. пФ, то его не включают . В качестве пФ берут подстроенный конденсатор.

По номограмме рисунок 51, а  при , находим коэффициент К^’ = = 1,01, с помощью которого определяем частотные сопряжения:

МГц;

МГц;

МГц

По номограмме рисунок 51, б  при и находим относительную погрешность сопряжения   определяем абсолютную