Радиопередатчик с ЧМ

Содержание.

Введение………….......................................................................................................................3

2. Техническое задание…………………………………………..………………………..........…4

2.1.  Назначение……………………………………………………………….………………...4

2.2.  Технические требования…………………………………................................................4

2.3 Конструктивные требования………………………………………………………...…....4

3. Анализ технического задания…………………………………………………………...……5
4. Обоснование структурной схемы………..……………………………………...…………….6
5. Разработка функциональной схемы………………………………………………...………...7

5.1 Выходная цепь……………………………………..............................................................7

5.2 Оконечный каскад…………………………………………………………………………..7

5.3 Возбудитель……………………………………………………..........................................7

5.4 Модулятор….………………………………………………….…………………………….8

5.5 Синтезатор сетки частот….……………………………….….…………………………….8

5.6 Опорный кварцевый генератор. ………………………………………………………….11

6. Расчёт схем функциональных узлов…….…………………………………........................12

         6.1 Расчёт оконечного каскада…………………………………………………………………...12

6.2 Расчёт выходной цепи……………………………………….………………………………18

6.3 Расчёт  ГУН…………………………….………………………...........................................21

6.4 Расчёт ОКГ …………………………………………............................................................30

6.5 Расчёт фильтра …………………………………………………..........................................36

7. Расчёт массы и габаритов…………. ………………………………..………………............39

Заключение…………………………….………………………………………………...……41

8. Список используемых источников…………………………….………………..………......42

Приложение

А………………………………………………………………………………………………..43

Б………………………………………………………………………….................................44

В…………………………………………………………………………................................45

Г……………………………………………………………....................................................46

Д………………………………………………………………………………………………..47

 

 

 

 

Введение

 

Радиопередающее устройство – это источник радиочастотных колебаний  в системах радиосвязи, телевидения  радиолокации и др. Назначение передатчика  – сформировать радиосигнал в  соответствии с требованиями, установленными при разработке системы и подвести его к антенне или к линии  связи.

Одно из основных требований, для  получения заданной точности воспроизведения  сигнала на приемной стороне связи  это требование к выбору способа  модуляции сигнала.

Радиопередатчики могут иметь  следующие виды модуляции:

• амплитудная (АМ), применяемая в радиовещании, связи, телевидении.
• частотная (ЧМ), применяемая в высококачественном радиовещании, в радиорелейных линиях с большим числом каналов, в радиолокационных системах непрерывного излучения, в системах частотной телеграфии.
• фазовая (ФМ), используется в радиосвязи.

Частотно-манипулированные (FSK) сигналы одни из самых распространенных в современной цифровой связи. Это обусловлено прежде всего простотой их генерирования и приема, ввиду нечувствительности к начальной фазе. Значениям «0» и «1» информационной последовательности соответствуют определённые частоты синусоидального сигнала при неизменной амплитуде. Частотная манипуляция весьма помехоустойчива, поскольку помехи телефонного канала искажают в основном амплитуду, а не частоту сигнала. Однако при частотной манипуляции неэкономно расходуется ресурс полосы частот телефонного канала. Поэтому этот вид модуляции применяется в низкоскоростных протоколах, позволяющих осуществлять связь по каналам с низким отношением сигнал/шум.

Целью курсового проекта  является разработка передатчика с использованием частотной манипуляции. Параметры окружающей среды, в соответствии с назначением, следующие t=-20¸50^оC. В соответствии с нормами на допустимые отклонения частоты радиопередатчика, стабильность частоты разрабатываемого передатчика должна быть не хуже 10^-6. В разрабатываемом устройстве уровень внеполосных излучений не должен превышать 60 дБ.

 

 

 

2. Техническое задание

 

2.1 Назначение

Радиопередающее устройство предназначено для спутниковой связи, обеспечивающее передачу телеграфных сообщений.

 

2.2 Технические требования

Диапазон рабочих частот (f_н…f_в) 23 ÷ 26,5 МГц.

Средняя мощность в антенне  26 Вт.

Параметры нагрузки: R_Amin = 18 Ом, C_A = 42 пФ.

Род работы – частотная  манипуляция.

Скорость манипуляции 10 кГц.

Полоса НЧ сигнала 40 ÷ 9000 Гц.

Способ перекрытия частоты  – дискретный

Допустимая относительная  нестабильность частоты  .

Уровень подавления внеполосных  излучений 60 дБ.

Потребляемая мощность не более 200 Вт.

 

2.3 Конструктивные требования

Диапазон рабочих температур -20 – +50°C .

Атмосферное давление 680 –  780 мм. рт. ст. (90 – 104) кПа.

Относительная влажность  до 95±3 %

Габариты не более 500х500х200 мм³ .

Масса не более 10 кг.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Анализ технического задания.

 

Телеграфное сообщение представляет собой сигнал с частотной манипуляцией с частотой от 40 до 9000 Гц.

Требуется спроектировать передатчик сигналов с частотной манипуляцией. Частота манипуляции 10 кГц. Каждому  значению бита (0, 1) соответствует определенная частота в рабочем диапазоне  частот.

Относительную нестабильность частоты  может обеспечить автогенератор на основе кварцевого резонатора. Подавление внеполосного излучения не хуже –60 дБ обеспечивается выходной цепью. Для согласования с нагрузкой (антенно-фидерным трактом) нужна, соответственно, согласующая цепь. Для минимизации потребляемой мощности целесообразно применение микросистемной техники в маломощных трактах передатчика, а также необходимо согласование между всеми частями передатчика.

Достижение требуемого диапазона  температур требует применения термостабильных  электрических элементов. Изменение  атмосферного давления оказывает слабое воздействие на твердотельные электрические  элементы и самым чувствительным из них является кристалл кварца. Требование надежности работы при высокой атмосферной  влажности может быть обеспечено принятием мер против конденсации  водяного пара из атмосферы на электрических  элементах.

Наиболее габаритными  и весомыми частями передатчика  являются система питания устройства и мощные тракты передатчика. Для  уменьшения массы и габаритов  следует применять элементы питания  с невысоким запасом по мощности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Обоснование структурной схемы.

 

Частотная манипуляция в  передатчиках осуществляется в возбудителе  на низком уровне мощности. Передатчик состоит из возбудителя, усилителя  мощности, выходной цепи. Возбудитель  состоит из манипулятора (М), автогенератора (АГ), синтезатора сетки частот (ССЧ), датчика опорных частот (ДОЧ), преобразователя  частоты (ПЧ).

Структурная схема передатчика  представлена на рисунке 1.

Сигнал с АГ поступает  на вход ДОЧ. ДОЧ формирует сигналы  с необходимыми для работы передатчика  частотами, и сигналы поступают  на М и ССЧ. На другой вход манипулятора (М) подается входной аналоговый сигнал в диапазоне частот 40 ÷ 9000 Гц. ССЧ формирует диапазон рабочих частот. В тракте ПЧ промодулированный сигнал с М переносится в диапазон рабочих частот. Полученный после ПЧ сигнал усиливается УМ. Выходная цепь(ВЦ) служит для согласования антенны с оконечным каскадом усилителя.

Источник питания является общим блоком для всех остальных  блоков структурной схемы.+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Ри. 1 – Структурная схема передатчика

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Разработка функциональной схемы

 

5.1 Выходная цепь

На выходе передатчика предназначена для согласования генератора с нагрузкой (антенной), то есть для трансформации эквивалентного сопротивления нагрузки усилителя (генератора) в реактивное сопротивление антенны; а также служит для обеспечения фильтрации высших гармоник в соответствии с ТЗ (60дБ).

КПД выходной цепи выбирается исходя из мощностей и длин волн. В нашем случае диапазон длин волн 11,3÷ 13м, средняя мощность в антенне 26 Вт, что соответствует рекомендуемым в [1] значениям КПД ВЦ в диапазоне 0,63 ÷ 0,67. Примем КПД ВЦ 0,65.

 

5.2 Оконечный каскад

Выходная мощность оконечного каскада УМ

,            (1)

где η – КПД выходной цепи, Р_ср – средняя мощность в антенне.

Число каскадов усилителя  мощности

,

возьмём три каскада, где  Р_возб – выходная мощность возбудителя, Р_возб = 50 мВт, K_p – коэффициент передачи мощности одного каскада, K_p = 10.

 

5.3 Возбудитель

Рис. 2- Возбудитель

В  состав возбудителя  входят: опорный кварцевый генератор (ОКГ), задающий опорную частоту и  обеспечивающий стабильность частоты  всего передатчика; датчик опорных  частот (ДОЧ), датчик сетки частот (ДСЧ), формирователь вида работ (ФВР) (модулятор), тракт преобразования частоты (ПЧ). Структурная схема возбудителя  представлена на рисунке 2 [2].

Синтезатор сетки частот (ССЧ) образуют: опорный кварцевый  генератор, датчик опорных частот, датчик сетки частот.

 

5.4 Модулятор

Задача модулятора – формировать  сигнал с частотной манипуляцией для переноса сигнала в диапазон рабочих частот передатчика.

Для обеспечения относительной  нестабильности частоты не хуже 10^-6 в качестве опорного генератора следует использовать кварцевый автогенератор.

Задача ДОЧ – путем  умножения или деления частот формировать необходимые для  работы устройства вспомогательные  частоты. Для наиболее простого получения  требуемых частот целесообразно  выбрать частоту автогенератора равной 10 МГц.

Выбор частот, выдаваемых ДОЧ, зависит от требований к уровням  побочных внутриполосных излучений  и производится по номограмме из [4, с. 290].

При частотной телеграфии должен обеспечиваться разнос частот битов, достаточный для четкого  разделения этих частот. В диапазоне 0,5…300 МГц, где осуществляется большая часть радиотелеграфных связей, сдвиги частоты составляют 125…500 Гц [2, с. 338].

Модулятор состоит из : АЦП, электронного ключей. АЦП преобразует аналоговый сигнал в его цифровое представление, на выходе которого последовательность нулей и единиц с частотой синхронизации равной частоте манипуляции f_ман = 10 кГц. Электронный ключ, управляемый цифровым сигналом, таким образом, что при передаче логической «1» на выход подается сигнал с высокой частотой, а при передаче логического «0» - сигнал с низкой частотой. Таким образом, частота выходного сигнала «манипулируется» в зависимости от битовой последовательности.

 

5.5 Синтезатор сетки частот

На рис. 4 показана структурная схема ССЧ с кольцом цифровой ФАПЧ. В ней выходной сигнал поступает с ГУН, а стабильность частоты обеспечивает ФАПЧ. Основные преимущества таких синтезаторов – низкий уровень побочных спектральных составляющих и возможность реализации основных узлов на цифровых микросхемах. Недостатками являются большее время перестройки, чем в синтезаторе пассивного синтеза, трудность уменьшения шага сетки частот и возможность генерации выходного сигнала за пределами рабочего диапазона[2].

 

Рис. 4- Структурная схема ССЧ.

 

В состав ССЧ входят: ОКГ, формирователь импульсов (ФИ), буферный усилитель (БУ), импульсно – фазовый  детектор (ИФД), делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД).

Определим рабочий диапазон частот:

где - частота частотно- модулированного автогенератора, т. к. её целесообразнее выбирать в диапазоне десятков МГц, то примем =10 МГц. Тогда:

МГц

МГц

 

Используя номограмму [1, с. 290] при f₁/f₂ = 0.85, можно определить какие комбинационные частоты входят в этот диапазон. Получается, что в него входят комбинационные частоты, имеющие порядок 8, 9,14. Такой порядок

 

комбинационных составляющих свидетельствует о том, что они  ослабляются не менее чем на 78 дБ, что удовлетворяет техническому заданию, а следовательно их будет  легко отфильтровать.

Определим шаг сетки частот:

Гц

Число фиксированных частот в сетке частот:

Частоту опорного генератора выбираем в диапазоне 1-10 МГц. Для  уменьшения объема расчетов можно принять  .

Коэффициент деления ДФКД:

 

Границы изменения коэффициента деления для ДПКД:

Полоса захвата должна быть больше максимально возможных начальных расстроек ГУН, т.е. . Начальная расстройка ГУН определяется:

а) неточностью грубой предварительной  установки частоты ( +0.5%f_гун);

б) абсолютной нестабильностью частоты  ГУН: _,

 где e- относительная нестабильность частоты ГУН, принимаемая 10^-3

 

Таким образом, начальная расстройка ГУН:

 Принимаем 

Т. к. полоса захвата  , то выберем =300 кГц. Полоса удержания системы ФАПЧ должна быть больше полосы захвата, т. е. . Если диапазон перестройки мал, можно выбрать равной половине диапазона перестройки ГУН:

 При этом должно выполняться  условие:

 

 

 

 

 

При прохождении по кольцу ФАПЧ и уменьшаются в N_max - N_min раз, поэтому нужно определить полосы DW_у  и DW_з для импульсно фазового детектора (ИФД):

Необходимо чтобы выполнялось  соотношение :

 

 

5.6 Опорный кварцевый генератор

 

Опорный кварцевый генератор  служит для формирования всех вспомогательных  частот. В качестве задающего генератора используется кварцевый автогенератор, имеющий повышенную стабильность частоты. С выхода задающего генератора поступает  синусоидальный сигнал частотой 10 МГц, для наиболее простого получения требуемых частот .

Опорный автогенератор с  кварцевыми резонаторами (КР), работающими  на основной частоте, обычно строятся по емкостной трехточечной схеме  с КР между коллектором и базой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Расчёт схем функциональных узлов.

6.1 Оконечный каскад усилителя мощности.

 

Принципиальная схема  оконечного каскада изображена на рисунке  5. Схема включения транзистора – с ОЭ. Такая схема позволяет получить наибольшую полезную мощность и коэффициент усиления.

Рисунок 5 – Принципиальная схема выходного каскада

 

Выбор транзистора для  оконечного каскада усилителя мощности производится по максимальной рассеиваемой мощности на коллекторе и частоте  единичного усиления по току.

Мощность рассеивания  на коллекторе:

Pкрас=Pэн

Pкрас=40

=21,54Вт

21,54Вт<150Вт

Данным требованиям удовлетворяет  транзистор 2Т931А (кремниевый):

Максимальная мощность, рассеиваемая коллектором:

Максимальный постоянный ток коллектора:

Граничная частота передачи тока:

Максимальное постоянное напряжение коллектор-эмиттер:

Постоянное напряжение эмиттер-база: Uэбmax=4В

Напряжение насыщения  коллектор-эмиттер: Uкэ_нас=0,18В

Коэффициент усиления по току:

Барьерная ёмкость эмиттерного  перехода:

Барьерная ёмкость коллекторного  перехода:

Максимальное обратное напряжение на базе:

Постоянная времени коллекторного перехода:

Коэффициент усиления по току:

Необходимо выполнение частотных  требований:

Требования к частотным  свойствам транзистора выполнены.

Напряжение питания:

 

Крутизна линии критического режима:

  .

          Пусть угол отсечки 

Коэффициенты Берга:

  

  

  

  

Коэффициент использования  коллекторного напряжения в граничном  режиме:

 

Напряжение коллектора первой гармоники:

 

В

Амплитуда первой гармоники  коллекторного тока:

 

Высота импульса тока коллектора:

 

Постоянная составляющая тока  коллектора:

Необходимо выполнение условия:

4,5A<15A

Условие выполняется –  ток не превышает максимально  допустимого значения для данного  транзистора.

Мощность, отдаваемая источником питания:

 

Мощность, рассеиваемая на коллекторе:

Условие

;

16 Вт < 150 Вт

выполняется.

Коэффициент полезного действия:

 

Эквивалентное сопротивление  нагрузки:

 

 

Расчет входной  цепи транзистора

Расчет добавочного сопротивления  в цепи базы:

 

Вспомогательные величины:

 

 

Амплитуда первой гармоники  тока базы:

 

Обратное напряжение на базе:

 

Необходимо чтобы обратное напряжение на базе не превышало допустимое:

.

Данное условие не выполняется, следовательно, необходимо рассчитать из условия максимально допустимого напряжения на базе:

 

 

Напряжение смещения на базе:

 

Постоянная составляющая тока базы:

 

Постоянная составляющая тока эмиттера:

 

Сопротивление базовой области  транзистора:

 

Активная составляющая коллекторной емкости:

 

Управляющее сопротивление  цепи эмиттера:

 

Вспомогательная величина:

 

Входные сопротивления:

 

 

 

Входная мощность возбуждения:

 

Коэффициент усиления по мощности:

 

 

Расчет цепи питания  базы

Крутизна коллекторного  тока:

 

Сопротивление в цепи эмиттера:

 

Блокировочная емкость в  цепи эмиттера:

 

Для определения схемы  питания базы необходимо определить отрицательное смещение создаваемое  током базы и добавочным сопротивлением, а также эмиттерной цепью:

 

Полученное смещение меньше по абсолютному значению необходимого. Следовательно, необходимо поставить  в цепь базы по постоянному току сопротивление, которое будет создавать  требуемое отрицательное смещение:

Блокировочная емкость:  

Разделительная емкость  в цепи коллектора:

 

 

Блокировочная емкость:

 

Блокировочная индуктивность:

 

 

 

6.2 Расчёт выходной цепи

Простые цепи согласования не обеспечивают требуемого подавления внеполосных  излучений, поэтому необходимо использовать сложную схему цепи согласования.

Двойное П-образное звено  позволяет получить более высокий КПД, коэффициент фильтрации и полосу пропускания.

Принципиальная схема  рассчитываемой цепи изображена на рисунке  6.

Рис. 6 – Принципиальная схема выходной цепи

Уровень внеполосного излучения:

Коэффициент бегущей волны:

Требуемый коэффициент фильтрации:

Средняя частота:

Ненагруженная добротность:

Нагруженная добротность:

 

6.2.1 Расчет двойного П-контура

Среднее сопротивление:

 Ом

где - выходное сопротивление двойного П-контура (выбирается в диапазоне ).

Реактивные сопротивления  и номиналы элементов:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нагрузкой генератора является потребитель энергии, в данном случае – антенна. Параметры нагрузки заданы в виде значений активного и реактивного  сопротивлений. Необходимо учитывать, что при работе в диапазоне  частот может изменяться как активная, так и реактивная составляющая сопротивления  нагрузки. Так как нагрузкой является антенна, то ее активное сопротивление  изменяется с частотой  примерно по квадратичному закону.

Расчет элементов настройки:

Сопротивление антенны на верхней частоте:

 

Сопротивления и номиналы настроечных элементов:

 

 

 

 

 

 

 

 

Реактивное сопротивление  настроечной цепи и антенны для  второй гармоники:

Модуль сопротивления  настроечной цепи и антенны:

 

Коэффициент фильтрации:

 

 

Полученный коэффициент  фильтрации больше требуемого.

 

6.3 Генератор управляемый напряжением

Схема генератора управляемого напряжением (рис. 7) представляет собой автогенератор, на колебательный контур которого воздействует варикап.

Рис. 7 – Принципиальная схема ГУН

Средняя частота ГУН:

 

Выбор транзистора производится из условия:

Данному требованию отвечает транзистор 1Т330Б:

Максимальная мощность рассеиваемая коллектором: