Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Приемник УКВ стереофонических сигналов

СПб ГОУ СПО «Государственный Университет Аэрокосмического Приборостроения»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Пояснительная записка

Тема: «Приемник УКВ стереофонических сигналов»

Специальность Группа 2051с

Выполнил: ____________ Алёшин И.С. Проверил: _____________ Саломасов В.В.

2010г.

Содержание

Введение...............................................................................................................4

1. Обоснование выбора структурной схемы приемника..........................5

1.1. Обоснование выбора супергетеродинной схемы приемника..................5

1.1.1. Выбор структурной схемы стереофонического тюнера.......................9

1.2. Обоснование выбора промежуточной частоты........................................13

1.3. Обоснование и выбор блока настройки....................................................14

1.3.1. Расчет требуемого коэффициента перекрытия по диапазону.............15

1.3.2. Выбор варикапа для входной цепи с электронной настройкой..........15

1.4. Определение полосы пропускания приемника..........................................16

1.5. Расчет радиочастотного тракта приемника…... ........................................17

2. Обоснование выбора принципиальной схемы приемника....................19

2.1. Обоснование выбора элементной базы.......................................................19

2.1.1. Описание работы микросхем ВЧ части приёмника……………………21

2.2. Предварительный расчет тракта промежуточной частоты.....................25

2.2.1. Обоснование выбора типа избирательной системы тракта промежуточной частоты......................................................................................25

2.2.2. Расчет избирательности одиночного контура УПЧ...............................26

2.2.3. Расчет числа звеньев ФСС.........................................................................27

2.3. Расчет требуемого коэффициента усиления высокочастотной части приемника..............................................................................................................30

2.4. Обоснование выбора автоматической регулировки усиления..................31

2.5 Функциональная схема разрабатываемого радиоприемника……………32

2.6 Принципиальная схема разрабатываемого радиоприемника…………….33

3. Электрический расчет....................................................................................36

3.1. Электрический расчет контура входной цепи с электронной настройкой.............................................................................................................36

3.2. Расчет и построение резонансной характеристики входной цепи приемника..............................................................................................................38

Заключение............................................................................................................41

Список используемой литературы......................................................................42
Введение

Целью данного курсового проекта является разработка стереофонического тюнера УКВ диапазона. В качестве элементной базы будут использоваться отечественные интегральные микросхемы.

Радиоприемники являются одним из наиболее распространенных радиотехнических устройств, значение которых в экономической, социальной и культурной жизни огромно.

Современные радиоприемники отличаются назначением и видом принимаемых сигналов, параметров и т.д. Также приемники разделяются на профессиональные и радиовещательные.

Повышение технического уровня радиовещательного устройства достигают за счет функционально-цифрового метода с использованием интегральной технологии. Интегральные микросхемы содержат большое число электрически соединенных между собой элементов, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга, и представляют собой единое целое с точки зрения эксплуатации. Степень интеграции характеризуется количеством микроэлементов на одном кристалле полупроводника. На УКВ частотах, возможно передавать сигналы с широкой полосой частот (несколько МГц): телевизионный сигнал, качественный стереофонический сигнал вещательной радиостанции.

Главная особенность распространения радиоволн УКВ-диапазона состоит в том, что основная часть энергии, излучаемая антенной, распространяется в пределах прямой оптической видимости, так называемой зоны дифракционного поля.

1 Обоснование выбора структурной схемы приемника

1.1 Обоснование выбора супергетеродинной схемы приемника

Современные радиовещательные приемники чаще всего строятся по схеме супергетеродинного типа, так как этот вид приемников обладает более качественными показателями, по сравнению с радиоприемниками прямого усиления и не требуют сложной регулировки блоков.

Функциональная супергетеродинная схема приемника представлена на рис.1

1 – входная цепь;

2 – резисторный усилитель радиочастоты;

3 – резонансный усилитель радиочастоты;

4 – смеситель;

5 – фильтр сосредоточенной селекции;

6 – усилитель радиочастоты;

7 – детектор;

8 – усилитель звуковой частоты;

9 – гетеродин.

Рисунок1 – Функциональная супергетеродинная схема приемника

Первым блоком приемника является входная цепь (ВЦ) – это параллельный колебательный контур, настроенный на частоту принимаемого сигнала. Настройка производится с помощью конденсатора переменной емкости или варикапа.

Второй блок – усилитель радиочастоты (УРЧ) – многокаскадный усилитель. Он обеспечивает основное усиление в приемнике, необходимое для нормальной работы детектора, а так же избирательность по соседнему каналу. Источником сигнала является входная цепь, нагрузкой – смеситель. УРЧ в схеме приемника может отсутствовать, если обеспечивается заданная избирательность по зеркальному каналу и чувствительность приемника.

Преобразователь частоты (ПЧ)состоит из смесителя и гетеродина. В результате преобразования частоты происходит перенос спектра сигнала в другую частотную область, при этом состав спектра не изменяется, следовательно, вид амплитудного колебания остается без изменений.

Гетеродин – маломощный автогенератор, вырабатывающий синусоидальные колебания, частота которых изменяется одновременно с перестройкой приемника на другую станцию. Частота, вырабатываемая гетеродином, должна быть стабильной на всем диапазоне принимаемых частот приемником, и равна несущей частоте сигнала, большей на промежуточную частоту.

Фильтр сосредоточенной селекции (ФСС) – несколько колебательных контуров или пьезокерамический фильтр, настроенные на промежуточную частоту. Обеспечивает избирательность по соседнему каналу, для этого должен обладать высокой крутизной скатов и полосой пропускания, равной удвоенной частоте сигнала.

Усилитель промежуточной частоты (УПЧ) необходим для нормальной работы детектора. Он усиливает сигнал, ослабленный ФСС, до уровня

чувствительности детектора. УПЧ может состоять из нескольких каскадов.

Детектор предназначен для преобразования высокочастотного модулированного сигнала в низкочастотный сигнал, изменяющийся по закону модулирующего сигнала. Так как детектирование – нелинейный процесс и связан с образованием новой частоты, то применяют диод или транзистор.

Усилитель звуковой частоты (УЗЧ) – предназначен для усиления сигнала звуковой частоты и обеспечения требуемых качественных показателей этого сигнала. Нагрузкой УЗЧ является звуковоспроизводящий динамик.

Основная особенность супергетеродинного приемника состоит в том, что в радиотракте помимо усиления сигнала происходит и преобразование частоты принятого радиоколебания.

Супергетеродинный приемник – наиболее распространенный вид радиоприемников; в них при сравнительно простой и надежной конструкции обеспечивается высококачественный прием сигналов.

В супергетеродинном приемнике с однократным преобразованием частоты принимаемый сигнал с частотой fc после входной цепи и усилителя радиочастоты (нередко этот усилитель отсутствует) поступает на смеситель преобразователя частоты, на который подаются также колебания от гетеродина с частотой fг. Полученный в результате преобразования сигнал с так называемой промежуточной частотой fпр, равный разности частот fc и fг, усиливается усилителем промежуточной частоты (УПЧ) и детектируется. Применяются также супергетеродинные приемники с многократным преобразованием частоты.

Важным достоинством супергетеродинного приемника является то, что в них не требуется перестраивать УПЧ, поскольку при любой частоте

принимаемого сигнала можно установить такую частоту гетеродина, чтобы fпр была неизменной. Поэтому супергетеродинный приемник просто в настройке: в нем достаточно настроить контуры входной цепи, усилителя радиочастоты и гетеродина (эта настройка обычно производится одной регулировочной ручкой). Т.к. УПЧ не перестраивается, в нем несложно применить многоконтурные электрические фильтры (и тем самым обеспечить высокую селективность по соседнему каналу связи), а также получить необходимое усиление сигнала и осуществить автоматическую подстройку частоты и автоматическую регулировку усиления.

Недостатком супергетеродинного приемника является возникновение побочных каналов приема при преобразовании частоты. К ним относится, в частности, зеркальный (симметричный) канал, отстоящий по частоте от канала принимаемого радиосигнала на 2fпр и расположенный симметрично ему относительно fг. По побочным каналам могут проходить помехи радиоприему, вызывающие интерференционные искажения сигнала (проявляющиеся при слуховом приеме в виде свистов). Средства борьбы с вредными проявлениями побочных каналов: повышение селективности ВЧ тракта супергетеродинного приемника, выбор промежуточной частоты вне диапазона принимаемых частот и др.

1.1.1 Выбор структурной схемы стереофонического тюнера

ЧД – частотный детектор

СД – стереодекодер

УНЧ1 – усилитель низкой частоты 1

УНЧ2 - усилитель низкой частоты 2

Л – левый канал

П – правый канал

Рисунок 2 – Структурная схема стереофонического тюнера

В последнее время очень бурными темпами развивается ЧМ-радиовещание в диапазоне УКВ. В нашей стране вещание ведётся в двух диапазонах: 65.8 – 73 МГц (стандарт OIRT) и 88 – 108 МГц (стандарт CCIR).

Первый из этих диапазонов обычно называют «УКВ», а второй – «FM», хотя это не совсем верно: оба диапазона лежат в области ультракоротких волн, и оба они используют частотную модуляцию (ЧМ, или FM – Frequency

Modulation). Основное отличие в вещании на этих диапазонах заключается в способе передачи стереосигнала. «УКВ» стандарт использует систему с полярной модуляцией, а «FM» стандарт – систему с пилот-тоном. Кроме того, отличается максимальная девиация несущей частоты: ±50 кГц и ±75 кГц. В системе УКВ поднесущая с частотой 31.25 кГц модулируется амплитудно разностным сигналом A-B и складывается с суммарным сигналом A+B. В результате получается полярно-модулированный сигнал. При модуляции передатчика поднесущая подавляется на 14 дБ с помощью режекторного контура с добротностью 100±5. Для декодирования такого сигнала в приемнике достаточно иметь каскад восстановления поднесущей и два диодных детектора, на выходе которых получаются сигналы левого (A) и правого (B) каналов. Таким образом, эта система изначально была ориентирована на простой стереодекодер. Однако, при попытках создать высококачественный стереодекодер проявляются некоторые недостатки системы. Прежде всего, это необходимость точного восстановления поднесущей (точно на 14 дБ и контуром с добротностью точно 100). Отклонение этих параметров ухудшает разделение стереоканалов. Кроме того, система не была ориентирована на применение синхронного детектирования, а обычный амплитудный детектор имеет повышенные нелинейные искажения. Выделение же опорной частоты для синхронного детектора из амплитудно-модулированной поднесущей затруднено. Известно, что при стереофоническом приеме отношение сигнал/шум на выходе приемника намного хуже (на 20 дБ и более), чем при монофоническом приеме. Основной шум содержится в разностном сигнале A-B. Поэтому современные стереодекодеры для улучшения отношения сигнал/шум автоматически сужают полосу и снижают уровень сигнала A-B на входе матрицы при ухудшении условий приема. При этом вместо повышения уровня шумов несколько ухудшается разделение стереоканалов,.

что определённо менее заметно. Необходимым условием для встраивания системы в приемник является наличие электронной настройки и сигнала АПЧ. Электронная настройка обычно осуществляется с помощью варикапов, на которые подают управляющее напряжение 3 – 24 В в зависимости от частоты настройки. Но современные блоки приемников часто имеют более узкий диапазон напряжения настройки, примерно 1 – 9 В. Предлагаемая система позволяет работать с любым диапазоном напряжения настройки, нужный диапазон обеспечивается соответствующим выбором напряжения питания. Сигнал АПЧ представляет собой постоянную составляющую выходного сигнала частотного детектора и может быть получен с помощью ФНЧ. Возможен случай, когда этот сигнал имеет обратную полярность (т.е. при расстройке по частоте вниз сигнал АПЧ увеличивается). Нужная полярность может быть получена с помощью одного ОУ, на котором следует собрать усилитель с коэффициентом передачи =1.

Особенности стереофонического радиовещания

Стереофоническое радиовещание (СФВ) - передача по радио звуковых (главным образом музыкальных) программ, при которой радиослушатель может не только различать высоту, тембр и силу звука, но и получать представление о пространственном расположении источников звука; при такой передаче звучанию придаётся естественность. Обычно СФВ ведётся в радиовещательном УКВ диапазоне, в котором удаётся обеспечить достаточно высокую верность воспроизведения и низкий уровень помех. При двухканальной передаче программ СФВ (имеющего наибольшее распространение) колебания с несущей частотой модулируются в передатчике по частоте комплексным стереофоническим сигналом (КСС).

Такой сигнал образуется посредством модуляции колебаний со вспомогательной (поднесущей) частотой двумя сигналами, спектры которых лежат в области звуковых частот, — «правым» (А) и «левым» (В),

получаемыми от двух групп пространственно разнесённых и электрически разделённых микрофонов, соответствующим образом ориентированных относительно источников звука. Различные системы СФВ характеризуются разными методами образования КСС. В СССР использовалась «система с полярной модуляцией», в которой для образования КСС положительные полуволны колебаний с поднесущей частотой 31,25 кГц модулируются по амплитуде сигналом А, отрицательные — сигналом В. После модуляции сама поднесущая подавляется на 14 дБ. В ряде стран используется «система с пилот-тоном»; в ней применена амплитудная модуляция колебаний с поднесущей частотой 38 кГц разностным сигналом А — В. КСС образуется посредством сложения модулированных колебаний с поднесущей частотой, суммарного сигнала А+В и пилот-тона с частотой 19 кГц, нужного для восстановления поднесущей в приёмнике. Известны и другие системы СФВ, например с частотной модуляцией колебаний с поднесущей частотой.

Для приёма сигналов стереофонического вещания используются стереофонические приёмники, отличающиеся от обычных радиовещательных приёмников наличием дополнительного элемента — стереодекодера, служащего для выделения из КСС сигналов А и В, и содержащие, соответственно, 2 тракта звуковых частот. Передачи стереофонического радиовещания обладают свойством совместимости, т. е. могут приниматься на обычный приёмник (но при этом пропадает эффект «объёмности» звучания).

1.2 Обоснование выбора промежуточной частоты

Так как для реализации исходных данных курсового проекта выбрана схема супергетеродинного приемника, то большое значение для обеспечения постоянства его качественных показателей на заданном уровне приобретает правильный выбор промежуточной частоты fпр.

При выборе промежуточной частоты необходимо руководствоваться следующими соображениями:

- промежуточная частота должна находиться вне диапазона принимаемых частот и не должна совпадать с частотами мощных радиостанций, в противном случае сигнал будет подавлен сигналами этих радиостанций;

- промежуточная частота должна иметь стандартное значение, установленное ГОСТом, поскольку на таких частотах мощные станции не работают;

- выбранная промежуточная частота должна иметь такое значение, при котором наиболее эффективно можно будет обеспечить хорошую избирательность как по соседнему, так и по зеркальному каналу.

Для обеспечения более высокой избирательности по зеркальному каналу δзк промежуточная частота должна быть по возможности выше (зеркальный канал отстает от полезного на 2fпр), а для обеспечения избирательности по соседнему каналу δск – как можно ниже (соседний канал отстает от полезного на величину 9 кГц). Однако с увеличением fпр ухудшается добротность избирательной системы фильтра сосредоточенной селекции (ФСС), а следовательно, не произойдет обеспечение высокой избирательности по соседнему каналу, вследствие чего на нагрузке

радиоприемного устройства (РПУ) будет выделяться сигнал с частотой fпр

10 кГц. Поэтому, чтобы этого не случилось, необходимо, чтобы ФСС

обладал достаточно высокой избирательностью, а это возможно только

при достаточно низкой fпр, так как при уменьшении fпр увеличивается добротность.

При большой fпр добротность ФСС меньше, его АЧХ имеет более пологие скаты и более широкую полосу пропускания, в которую входит сигнал с соседнего канала. В случае, если fпр меньше – добротность ФСС больше, полоса пропускания меньше и сигнал с соседнего канала в эту полосу не входит.

Возникло противоречие: с одной стороны, нужно увеличить fпр для обеспечения высокой δзк, с другой стороны, нужно уменьшить Sпр для обеспечения высокой δзк. Поэтому, чтобы удовлетворить эти два условия, нужно выбрать необходимую fпр.

Следуя ГОСТу, видно, что промежуточная частота для ДВ, СВ и КВ диапазонов равна 465 кГц, для УКВ диапазонов 10,7 МГц, а на радиолокационных РПУ fпр = 100 МГц.

Исходя из выше написанного, сделаем вывод, что для данного приемника промежуточная частота равна 10,7 МГц.

Также необходимо обеспечить избирательность по промежуточной частоте. Если на частоте, равной промежуточной, будет работать передатчик, то смеситель преобразователя для этой частоты будет являться резонансным усилителем и из-за некоторых резонансных свойств тракта ВЧ в нагрузке РПУ мы будем слышать наряду с полезным сигналом сигнал-помеху на fпр. Ослабить этот побочный канал можно включением в цепь антенны фильтра-«пробка».

Из вышесказанного следует, что избирательность по побочным каналам, а также другие показатели РПУ зависят от правильного выбора промежуточной частоты.

1.3 Обоснование и выбор блока настройки

Для входной цепи лучше всего использовать блок электронной настройки (рис.3), т.к. такая схема имеет следующие достоинства:

- четные гармоники радиочастоты имеют противоположное направление, поэтому компенсируются;

- уменьшается паразитное изменение емкости варикапа под действием радиочастотного напряжения;

- улучшается нелинейность зависимости изменения емкости варикапа от Uобр.

1.3.1 Расчет требуемого коэффициента перекрытия по диапазону

Коэффициент перекрытия по диапазону определяется по формуле (1):

Кпд = (1)

Кпд = = 1,04

1.3.2 Выбор варикапа для входной цепи с электронной настройкой

В настоящее время имеется большой выбор варикапов и варикапных матриц отечественного и зарубежного производства.

Для радиоприемников предпочтительнее использовать варикапные матрицы.

В диапазоне УКВ применяются варикапы КВ102, КВ1109, КВ111 и

другие варикапные матрицы.

Выбираем из справочника варикап КВ-116А-1.

Для обоснования выбора типа варикапа, произведем расчет коэффициента перекрытия по емкости по формуле (2):

Кпс= (2)

Кпс= = = 1,2

где Св mах и Св min - максимальное и минимальное значение емкости варикапа;

Со - паразитная емкость схемы, которую можно принять для диапазона УКВ Со = 15 пФ

Кпс = 1,2 > Кпд = 1,04, следовательно, варикап выбран правильно.

Девиация частоты 130 кГ

Рисунок 3 - Схема входной цепи с электронной настройкой

1.4 Определение полосы пропускания приемника

Полоса пропускания — это диапазон частот, в пределах которого амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) приемника достаточно равномерна для того, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения его формы.

Девиация частоты — наибольшее отклонение мгновенной частоты модулированного радиосигнала при частотной модуляции от значения его несущей частоты. Эта величина равна половине полосы качания, т. е. разности максимальной и минимальной мгновенных частот. При больших индексах модуляции полоса качания и ширина спектра ЧМ-сигнала приблизительно равны.

Для ЧМ-модуляции полоса пропускания П определяется по формуле(3):

П = 2Fmax(1 + Мчм + ) (3)

где Мчм – индекс модуляции, который определяется по формуле (4):

Мчм = Δf/Fmax (4)

где Δf – девиация частоты, Fmax – максимальная частота модулированного колебания.

Мчм = Δf/Fmax = 130/12,5 = 10,4

П = 2 * 12,5 * (1 + 10,4 +) = 366кГц

1.5 Расчет радиочастотного тракта прёмника

Задаемся конструктивной добротностью контура входной цепи в диапазоне УКВ Qк = (140 – 200)

Эквивалентная добротность определяется по формуле(5):

Qэ = р * Qк (5)

Р-коэффициентшунтировании р=(0,2-0,5)

Qк - конструктивной добротностью контура входной цепи.

Qэ=0,5*170=85

Определяем избирательность по зеркальному каналу по формуле(6):

δз.к. = Qэ (6)

где Qэ – эквивалентная добротность;

fmax – максимальная частота принимаемого сигнала

fпр – промежуточная частота (10,7 МГц для диапазона УКВ)

δз.к. = 100 * = 14280

Переведем рассчитанную избирательность в дБ

δз.к.(дБ) = 20 lg 14280 = 83 дБ (7)

Избирательность по соседнему каналу данна:47дБ

Определяем частотные искажения на минимальной частоте по формуле(10):

Мвх.ц. = (10)

где П – полоса пропускания Мвх.ц = =1,11 = 0,90 дБ

2 Обоснование выбора принципиальной схемы приемника

2.1 Обоснование выбора элементной базы высокочастотной части приемника

Данный приемник разрабатывается на отечественных интегральных микросхемах, поэтому выбираем микросхему К174ХА34АМ.

Микросхема К174ХА34АМ предназначена для работы в экономичных радиовещательных и связных приемниках частотно-модулированных сигналов .

Риунок 4-Типовая схема включения К174ХА34АМ

Риунок 5- тип корпуса К174ХА34АМ