Проектирование связного УКВ приемника
Министерство образования и науки РФ
Новосибирский государственный технический университет
Кафедра радиоприемных и радиопередающих устройств
Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине
Устройства приёма и обработки сигналов
Проектирование связного УКВ приемника
Выполнил студент группы РТ5-22 |
Преподаватель |
Петров Д.С. |
Киселёв А.В. |
Факультет РЭФ |
Новосибирск
2006
Содержание
Техническое задание
Диапазон рабочих частот |
200 – 250 МГц |
Чувствительность |
5 мкВ |
Отношение сигнал/шум на выходе линейной части |
10 дБ |
Вид модуляции |
ЧМ |
Диапазон модулирующих частот |
0.1 – 2.5 кГц |
Девиация частоты |
|
Избирательность по соседнему каналу при расстройке |
40 дБ 25 кГц |
Избирательность по зеркальному каналу |
50 дБ |
Избирательность по каналу прямого прохождения |
70 дБ |
Входное сопротивление |
50 Ом |
Уровень выходного сигнала на заданном сопротивлении нагрузки |
1 В 25 Ом |
Изменение уровня выходного сигнала не более при изменении входного сигнала на |
5 дБ 40 дБ |
Относительная нестабильность частоты передатчика |
10-5 |
|
Питание |
+12 В |
Введение
Важнейшим функциональным элементом радиотехнических систем является радиоприемное устройство, способное воспринимать слабые радиосигналы и преобразовывать их к виду, обеспечивающему использование содержащейся в них информации. В состав радиоприемного устройства входят собственно радиоприемник, антенна и оконечное устройство. Радиоприёмники можно классифицировать по ряду признаков, из которых основными являются:
- Тип схемы;
- Вид принимаемых сигналов;
- Назначение приёмника;
- Диапазон частот;
- Вид активных элементов;
- Конструкция приёмника.
По типу схем различают приёмники детекторные, прямого усиления, сверхрегенеративные и супергетеродинные приёмники. В нашем курсовом проекте мы проектируем супергетеродинный приёмник, обладающий существенными преимуществами перед приёмниками других типов и широко применяемый на любых диапазонах частот.
Появившиеся в последнее время интегральные микросхемы и фильтры, по сути, представляют собой элементную базу функциональной электроники. Разработка радиоприемных устройств, выполненных на их основе, отличается от традиционного проектирования смещением акцентов в сторону системных вопросов. При этом радиоприемное устройство рассматривают как совокупность узлов, решающих задачи: частотной селекции, усиления и демодуляции полезного сигнала, а также подавления помех.
Синтез структурной схемы прием
ника
Расчет параметров приемника
Рассчитаем требуемую полосу пропускания приемника по следующему соотношению:
где – ширина спектра принимаемого сигнала; – максимальное значение доплеровского сдвига принимаемого сигнала; , – среднеквадратические значения случайных отклонений рабочей частоты передатчика и частоты настройки приемника.
Будем исходить из того, что приемник неподвижен по отношению к передатчику, тогда .
При частотной модуляции ширина спектра зависит от индекса модуляции B, определяемого девиацией частоты и наибольшей частотой в спектре передаваемого сообщения :
Так как индекс модуляции не намного превосходит единицу, то ширина спектра принимаемого сигнала равна:
Определим нестабильность частоты передатчика и гетеродина.
Примем относительную нестабильность частоты гетеродина, такой же, как у передатчика – 10-5, этого значения можно добиться применением кварцевой стабилизации частоты. Учитывая, что промежуточная частота приемника еще не выбрана, примем максимальную частоту гетеродина равной максимальной частоте принимаемого сигнала .
Требуемая полоса пропускания приемника:
Проверим условие наличия автоподстройки частоты (АПЧ):
если , , то в состав приемника целесообразно ввести систему АПЧ с коэффициентом автоподстройки:
При вводе АПЧ полосу пропускания приемника принимают равной:
Выбор количества преобразований и значений промежуточных частот
Большинство приёмников, спроектированных в настоящее время, строится по супергетеродинной схеме. Это позволяет осуществлять основное усиление и фильтрацию сигнала на промежуточной, как правило, более низкой, частоте. Применение промежуточной частоты выше частоты сигнала, существенно увеличивает подавление помех по зеркальному каналу, но требует применения двойного преобразования частоты с включением на выходе первого смесителя узкополосного фильтра.
Промежуточная частота должна лежать вне диапазона рабочих частот и обеспечивать:
- заданную избирательность (ослабление Seзк) по зеркальному каналу (ЗК);
- заданную избирательность по каналу прямого прохождения (ПП);
- возможность применения колебательных контуров c реализуемой добротностью.
Для обеспечения селекции по соседнему каналу с помощью стандартного фильтра основной частотной селекции, промежуточную частоту рекомендуется выбирать из ряда стандартных частот.
Для данного УКВ ЧМ приемника, для первоначального расчета, в качестве промежуточной частоты выберем – .
В соответствии с рекомендациями в [2] и [3], принимаем dэ=0.02.
Рассмотрим случай, когда частота сигнала выше частоты гетеродина (“нижняя” настройка гетеродина).
Частота зеркального канала:
Определим обобщенную расстройку для зеркального канала на максимальной частоте сигнала:
Селективность по ЗК, обеспечиваемая одиночным контуром:
Селективность по ЗК, обеспечиваемая парой связанных контуров:
Селективность по ЗК, при “нижней” настройке гетеродина, обеспечивают один одиночный контур и одна пара связанных контуров:
Рассмотрим случай, когда частота сигнала ниже частоты гетеродина (“верхняя” настройка гетеродина).
Частота зеркального канала:
Определим обобщенную расстройку для зеркального канала на максимальной частоте сигнала:
Селективность по ЗК, обеспечиваемая одиночным контуром:
Селективность по ЗК, обеспечиваемая парой связанных контуров:
Селективность по ЗК, при “верхней” настройке гетеродина, обеспечивают два одиночных контура и одна пара связанных контуров:
Определим подавление помех одиночным контуром и парой связанных контуров для канала прямого прохождения .
Обобщенная расстройка для канала прямого прохождения (КПП):
Селективность по КПП, обеспечиваемая одиночным контуром:
Селективность по КПП, обеспечиваемая парой связанных контуров:
Селективность по КПП, обеспечивают два одиночных контура или одна пара связанных контуров:
Для промежуточной частоты расчет аналогичен, поэтому повторять его не целесообразно. Результаты расчетов сведены в таблицу 1.
Табл.1.
|
Вид частотно-селективной цепи преселектора |
Значение промежуточной частоты | |||||
|
Настройка гетеродина (ЗК) |
КПП, дБ |
Настойка гетеродина (ЗК) |
КПП, дБ | |||
“нижн.”, дБ |
“верх.”, дБ |
“нижн.”, дБ |
“верх.”, дБ | |||
Одиночный контур |
19.101 |
18.36 |
59.39 |
25.54 |
24.028 |
53.29 |
Пара связанных контуров |
32.076 |
30.58 |
112.8 |
45.027 |
42.001 |
100.563 |
Два одиночных контура |
38.202 |
36.72 |
118.78 |
51.08 |
48.056 |
106.58 |
Одиночный контур и пара связанных контуров |
51.177 |
48.94 |
172.19 |
70.567 |
66.029 |
153.853 |
Два одиночных контура и пара связанных контуров |
70.278 |
67.3 |
231.58 |
96.107 |
96.112 |
207.143 |
В качестве селективной системы преселектора выберем систему, состоящую из одного одиночного контура и одной пары связанных контуров (при промежуточной частоте fпч=10.7 МГц и “нижней” настройке гетеродина): один во входной цепи (ВЦ), второй в нагрузке УРЧ. При этом подавление помехи по ЗК составляет – 51.177 дБ (требуется 50 дБ), а по КПП – (требуется 70 дБ).
Сигнал помехи на соседнем канале подавляется после смесителя, т.е. на промежуточной частоте фильтром сосредоточенной селекции (ФСС).
ФСС выбираем стандартный, исходя из предъявляемых к нему требований:
- центральная частота фильтра равна промежуточной частоте смесителя;
- полоса пропускания фильтра должна быть не уже полосы сигнала;
- селективность должна быть не хуже заданной, при заданной расстройке.
Выбираем фильтр ФП2П4-307 (Приложение 1), у него центральная частота – 9.572…11.5 МГц, полоса пропускания 18 кГц по уровню 6 дБ, затухание 80 дБ при расстройке . Данный фильтр обеспечивает необходимое ослабление (40 дБ).
Коэффициент шума приемника
Максимально допустимое значение коэффициента шума приемника, является определяющим при проектировании радиочастотной части приемника. При малых значениях коэффициента шума (<3…20) технические решения, закладываемые в преселектор и преобразователь частоты, диктуются, в первую очередь, требованием достижения низкого коэффициента шума.
Если же коэффициент шума достаточно большой, то особых мер по его снижению принимать не следует, чувствительность приемника определяется его усилением, а его проектирование может вестись без анализа и учета шумовых свойств отдельных каскадов.
Максимально допустимое значение коэффициента шума РПУ:
где – чувствительность приемника;
– постоянная Больцмана;
– температура среды;
– отношение сигнал/шум по мощности.
Коэффициент шума получился относительно большим ( ) следовательно, особых мер по его снижению принимать не надо, чувствительность приемника определяется его усилением.
Коэффициент усиления приемника
Для обеспечения, заданного в техническом задании, уровня выходного сигнала, необходимо произвести усиление входного сигнала в РПУ.
- Входное напряжение приемника (чувствительность) – .
- Выходное напряжение приемника – .
- Коэффициент усиления приемника, по напряжению:
Синтез структуры преселектора
В состав преселектора входят входная цепь и УРЧ с выходной цепью частотной селекции. Входная цепь обеспечивает согласование антенны ( ) со входом УРЧ. В качестве ВЦ выберем пару связанных контуров, а в качестве нагрузки УРЧ применим одиночный контур. Нагрузка УРЧ (одиночный контур) и ВЦ (пара связанных контуров), обеспечивают требуемую селективность по ЗК и КПП. Одиночный контур-нагрузка, также осуществляет согласование выходного сопротивления УРЧ с входным сопротивлением смесителя.
В качестве УРЧ используем микросхему К174ПС4 (приложение 2), при определенной схеме включения эта микросхема является широкополосным усилителем, который имеет верхнюю граничную частоту 300 МГц и коэффициент усиления напряжения около 16 дБ.
Преобразователь частоты (смеситель)
Тип смесителя при высоком допустимом коэффициенте шума приемника не критичен. Активный элемент, используемый в смесителе, должен обеспечивать работу в диапазоне частот входного сигнала. В качестве смесителя применим микросхему К174ПС4 (приложение 2). Микросхема представляет собой двойной балансный смеситель, работающий в диапазоне 0 – 1000 МГц. Коэффициент передачи микросхемы К174ПС4 в УКВ диапазоне, включенной в качестве смесителя, составляет .
Синтез структуры тракта промежуточной частоты
Тракт промежуточной частоты (ПЧ) должен решать задачи основной частотной селекции полезного сигнала и его усиления до уровня, необходимого для нормальной работы детектора. Рабочая частота тракт ПЧ не изменяется, поэтому все его элементы настраиваются на промежуточную частоту. Полоса пропускания тракта ПЧ равна полосе пропускания приемника.
В состав тракта ПЧ входят
ФСС, устанавливаемый на выходе смесителя,
и усилитель промежуточной
В качестве УПЧ применим микросхему К174ХА6 (приложение 3), которая содержит УПЧ с ограничителем, ЧМ детектор и предварительный усилитель низкочастотного сигнала (предУНЧ).
Для подавления паразитной амплитудной модуляции (АМ), используется встроенный в К174ХА6, ограничитель. По техническому заданию ослабление паразитной АМ должно составлять , исходя из этого на вход УПЧ необходимо подать сигнал амплитудой более 100 мкВ.
Для обеспечения необходимого напряжения (100 мкВ) на входе микросхемы К174ХА6, перед ней включим ещё один УПЧ, на микросхеме К174УР10 (приложение 4), который имеет коэффициент усиления .
Усилитель низкой частоты
УНЧ должен обеспечить, заданный в техническом задании, уровень сигнала на выходе приемника.
Выходная мощность приемника должна быть не менее –
В качестве УНЧ применим микросхему К174УН4Б (приложение 5). Это усилитель мощности низкой частоты с максимальной выходной мощностью 0.7 Вт, его коэффициент усиления находится в следующих пределах: 4…40.
Распределение усиления между узлами приемника
Примем коэффициент передачи ВЦ для диапазона УКВ равным 1, тогда входное напряжение УРЧ будет равно напряжению на входе приемника (чувствительность) .
Коэффициент усиления УРЧ (К174ПС4) по напряжению равен 16 дБ или раз. Следовательно, напряжение на выходе УРЧ составит:
Примем коэффициент передачи смесителя , тогда напряжение на выходе смесителя равно: .
После смесителя располагается ФСС, который вносит затухание подаваемый на его вход сигнал. Для ФП2П4-307 затухание в полосе составляет 7 дБ, однако, учитывая неравномерность коэффициента усиления – 2 дБ, максимальное затухание в полосе составит – 9 дБ или раз. Коэффициент передачи ФСС составляет . Исходя из этого получаем, что напряжение на входе УПЧ1 (К174УР10) равно:
Найдем напряжение на выходе УПЧ1 (К174УР10):
Это же напряжение будет на входе УПЧ2 (К174ХА6), данное напряжение обеспечит подавление паразитной АМ ограничителем на 46…47 дБ, что удовлетворяет требованиям технического задания (35 дБ).
Уровень напряжения на выходе микросхемы К174ХА6 будет постоянным, из-за наличия в её составе амплитудного ограничителя.
Напряжение на выходе предУНЧ – .
Напряжение на выходе приемника должно составлять 1 В, следовательно УНЧ (К174УН4Б) необходимо обеспечить такое усиление входного сигнала ( ), чтобы на выходе получить требуемое значение:
Данный коэффициент передачи УНЧ удовлетворяет техническим характеристикам микросхемы К174УН4Б (4…40), при этом он может быть увеличен, если это будет необходимо при учете коэффициентов передачи цепей согласования.
На этом синтез структурной
схемы можно считать оконченным
Расчет принципиальной электрической схемы РПУ
Входная цепь
Входной цепью приемника является пара связанных контуров, перестраиваемая в диапазоне рабочих частот при помощи варикапов. ВЦ обеспечивает согласование антенны со входом УРЧ. Межконтурная связь будет осуществляться при помощи комбинированной связи, которая позволяет сохранять частотно-селективные свойства цепи при её перестройке в диапазоне частот. ВЦ рассчитаем на максимум коэффициента передачи при заданной полосе пропускания.
Исходные данные для расчета:
- диапазон рабочих частот ;
- сопротивление антенны ;
- входное сопротивление УРЧ ;
- эквивалентное затухание контура , следовательно
- собственное затухание контура выберем в соответствии с таблицей 3 [1]:
;
Определим коэффициент перекрытия диапазона по частоте:
Коэффициент перекрытия диапазона по емкости: .
Исходя из полученного значения коэффициента перекрытия диапазона по емкости, выберем во входную цепь варикап КВ132 из таблицы 7.1 [2].
Параметры варикапа КВ132.
Тип варикапа |
Общая емкость варикапа, пФ |
Коэф. перекрытия по емкости |
Напряжение управлении, В |
Добротность |
КВ132 |
50 |
4 |
1…10 |
100 |
Для того чтобы под действием сигнала помехи контур не расстраивался вследствие изменения управляющего напряжения, применяется встречное включение двух варикапов (рис. 1.). При изменении напряжения управления варикапа будет изменяться его емкость и емкость всей ВЦ, следовательно, будет изменяться резонансная частота пары связанных контуров, следовательно, будет происходить перестройка ВЦ.
Примем максимальную емкость контура равной емкости варикапа: .
Найдем значения коэффициентов включения m и n, при этом значение параметра β выберем равным 1, так как при β=1 связь критическая и АЧХ не имеет провала на центральной частоте полосы.
Рис. 1. Входная цепь (пара связанных контуров).
Определим коэффициент связи двух контуров: .
Так как половина коэффициента
связи реализуется
Величина емкости конденсатора внешнеемкостной связи:
Так как является малой величиной, реализация которой затруднительна, прибегнем к частичному включению емкости связи. Искусственно увеличим её до величины (соответствует ряду номинальных значений Е6) и подключим к контурам частично с коэффициентом включения , таким, чтобы получить эквивалентную емкость требуемой величины:
Найдем емкость конденсатора внутриемкостной связи:
Найдем индуктивность контура: .
Собственная проводимость контура:
Эквивалентная проводимость контура:
Коэффициент передачи ВЦ:
Расчет УРЧ
УРЧ выполнен на микросхеме К174ПС4. Нагрузкой усилителя является одиночный контур (рис. 2.), который должен обеспечивать согласование выходного сопротивления УРЧ со входным сопротивлением смесителя. Одиночный контур также как ВЦ перестраивается в диапазоне частот при помощи варикапов (КВ132). В принципе, для подстройки параллельно емкости С0, можно включить подстроечный конденсатор КТ4-27, емкость которого изменяется в пределах 1…10 пФ, а номинальное напряжение составляет 16 В.
Рис. 2. Частотно-селективная цепь УРЧ (одиночный контур).
Найдем минимальную емкость варикапа: .
Параллельно двум встречно включенным варикапам необходимо подключить постоянную емкость контура для обеспечения заданного рабочего диапазона частот:
Общая максимальная емкость контура: .
Найдем индуктивность контура: .
Учитывая, что (К174ПС4 включена как усилитель), а , найдем коэффициенты включения одиночного контура УРЧ:
Собственная проводимость контура:
Эквивалентная проводимость контура:
Коэффициент передачи одиночного контура:
Определим коэффициент передачи преселектора:
Расчет преобразователя частоты
Смеситель выполнен на микросхеме К174ПС4. Для обеспечения согласования смесителя с ФСС выполним контур с неполным включением катушки индуктивности со стороны входа и выхода. Для промежуточной частоты , по таблице 3 [1], выберем емкость контура . Собственное затухание контура: , эквивалентное затухание –
Найдем индуктивность контура: .
Учитывая, что (К174ПС4 включена как преобразователь, поэтому выходное сопротивление отличается от ), а , найдем коэффициенты включения контура:
Собственная проводимость контура:
Эквивалентная проводимость контура:
Крутизна преобразования смесителя на частоте 250 МГц (приложение 2):
Коэффициент передачи смесителя:
Согласующие цепи
Согласующие цепи (СЦ) необходимо поставить между ФСС (ФП2П4-307) и УПЧ1 (К174УР10), а также между УПЧ1 (К174УР10) и УПЧ2 (К174ХА6). В качестве согласующих цепей используем Г-цепи.
Рассчитаем СЦ между ФСС и УПЧ1.
Рис. 3. СЦ Г-типа (между ФСС и УПЧ1).
Исходные данные для расчета: , .
Найдем добротность СЦ:
Определим реактивные сопротивления для L и C:
Найдем соответствующие этим реактивным сопротивлениям индуктивность и емкость:
Коэффициент передачи первой СЦ: .
Рассчитаем СЦ между УПЧ1 и УПЧ2.
Рис. 4. СЦ Г-типа (между УПЧ1 и УПЧ2).
Исходные данные для расчета: , .
Найдем добротность СЦ:
Определим реактивные сопротивления для L и C:
, .
Найдем соответствующие этим реактивным сопротивлениям индуктивность и емкость:
Коэффициент передачи второй СЦ: .
Определим коэффициент передачи обеих СЦ: .
Прочие элементы
Вход УНЧ (К174УН4Б) подключается к выходу предварительного УНЧ (К174ХА6) через переменный резистор для возможности регулировки уровня громкости.
Найдем коэффициент усиления приемника до входа УПЧ2 (К174ХА6):
Определим напряжение на входе УПЧ2 (К174ХА6):
