Расчет радиолокационного приемника

     ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

     ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

     ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 
 

     ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ  ФАКУЛЬТЕТ

     Кафедра ЭВС 
 
 
 

     Курсовая  работа

     ( Д.631.1.36.03.019.03.ПЗ-1)

     Дисциплина: Устройства приема и  преобразования сигналов

     Тема: Расчет радиолокационного приемника 
 
 

                                                     Выполнили:   студенты 666-1 гр.

                                             Проверил:    Матилов С. Б.

     Улан-Удэ

     2007 

     Содержание 

     ВВЕДЕНИЕ                                                                                                    -   3

     ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ                                                                        -   4                                        

          1.1. Назначение и виды радиоприемных устройств                               -    4

          1.2. Структура и принцип действия радиоприемных устройств           -    9

          1.3. Показатели радиоприемных устройств                                            -   11 

          1.4. Структурные схемы и показатели радиотракта приемника           -   18 

           1.5. Коэффициент шума и шумовая температура                                 -   23 

           1.6. Связь между чувствительностью, коэффициентом шума

                   и шумовой температурой приемника                                             -  27 

          1.7. Входные цепи радиоприемников                                                      -  30

          1.8. Усилители радиосигналов                                                                  -  33

          1.9. Преобразователи частоты и параметрические усилители               -  34

          1.10. Детекторы радиосигналов                                                                 - 36

          1.11. Гетеродинный тракт, регулировки и индикация в радиоприемных                                                                                                                                                                                                                                 

                 устройствах                                                                                         -  40

     ПРАКТИЧЕСКИЙ  РАЗДЕЛ                                                                        - 41

          2.1. Задание                                                                                                  -  41

          2.2. Общие сведения о радиолокационных приемниках. Составление    

                 структурной схемы                                                                              -  42 

          2.3. Расчет преобразователя частоты                                                        -  46

          2.4. Расчет гетеродина                                                                                -  48

     СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ                                        -  51

     ПРИЛОЖЕНИЕ                                                                                                -  52

         Характеристики транзистора КТ306                                                         -  52

          Характеристики транзистора КТ324                                                         -  56

ВВЕДЕНИЕ 

      Радиоприемные устройства, или радиоприемники, являются неотъемлемой частью любой информационной радиоэлектронной системы. Радиопередающее  устройство используется в радиоэлектронной системе для приема информации от источника к потребителю при помощи радиосигнала, излучаемого в пространство антенной системой. Радиоприемное  устройство представляет собой сложное соединение большого числа отдельных каскадов и устройств, осуществляющих различного рода преобразования сигналов высокой (несущей) и низкой (модуляционной) частоты. Соответственно технические характеристики радиоприемника, во многом определяющие основные технические характеристики всей радиоэлектронной системы, реализуются с помощью выбора принципа построения (функционального назначения и схемы соединения отдельных каскадов) радиоприемника и его параметров.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ 

1.1.  Назначение и виды радиоприемных устройств 

   Радиоприемное устройство (РПрУ) — это комплекс электрических цепей, функциональных узлов и блоков, предназначенный для улавливания распространяющихся в открытом пространстве электромагнитных колебаний искусственного или естественного происхождения в радиочастотном (3 ∙10³...3 ∙10¹² Гц) и оптическом (3 ∙10¹²...3 ∙10¹⁶Гц) диапазонах и преобразования их к виду, обеспечивающему использование содержащейся в них информации. Радиоприемные устройства являются важнейшими составными частями всех радиосистем, в том числе радиосвязи, радиовещания и телевидения, относящихся по информационному назначению к классу систем передачи информации из одних пунктов пространства в другие.

   Функциональная  схема радиосистемы этого класса представлена на рисунке1. Радиопередающее устройство (РПдУ), РПрУ и среда распространения электромагнитных волн образуют радиоканал. В РПдУ подлежащая передаче информация в виде сообщения той или иной физической природы преобразуется в соответствующий электрический сигнал, который непосредственно или после кодирования модулирует высокочастотное несущее колебание, образуя радиосигнал. С помощью передающей антенны А₁, энергия радиосигнала преобразуется в энергию электромагнитного поля, распространяющегося в виде электромагнитных волн в окружающем пространстве. Посредством антенны А₂ энергия сильно ослабленного в месте приема электромагнитного поля высокой частоты преобразуется в энергию электрических колебаний, являющихся входным сигналом для собственно приемника. На выходе РПрУ в результате обратного электрофизического преобразования сигнал представляется в виде, необходимом для потребителя информации. 

Рисунок 1. 

     В месте приема существуют также электромагнитные поля, создаваемые посторонними источниками  естественного и искусственного происхождения. Соответствующие электромагнитные колебания воспринимаются РПрУ мешают приему полезного сообщения, т.е. являются так называемыми внешними радиопомехами. Кроме того, и в цепях самого РПрУ возникают различные побочные мешающие электрофизические явления, проявляющиеся в виде внутренних помех приему. Исходное сообщение в процессе прохождения по радиоканалу претерпевает нежелательные изменения, оцениваемые искажением сигнала. Искажения имеют место как вне приемопередающей аппаратуры, так и внутри нее. Первые связаны с рядом физических процессов, сопровождающих распространение электромагнитных волн, вторые обусловлены неидеальностью характеристик РПдУ и РПрУ.

     В зависимости от признаков, положенных в основу, существуют различные классификации РПрУ. По основному функциональному назначению РПрУ делят на профессиональные и вещательные. К профессиональным приемникам (в системах передачи информации) относятся РПрУ связные, телевизионные, телеметрические, телеуправления и др. Вещательные приемники обеспечивают прием программ звукового и телевизионного вещания. Их массовое производство и необходимость относительной дешевизны обусловливают сравнительно простые технические решения. Профессиональные РПрУ отличаются большей сложностью и стоимостью, зачастую соизмеримой со стоимостью передающего оборудования.

     Среди связных различают РПрУ космических, международных, магистральных, внутризоновых, местных, технологических и других радиосистем передачи. Профессиональные телевизионные приемники используются в связных, сервисных и прикладных телевизионных системах. Приемники звукового вещания делятся на монофонические, стереофонические и квадрофонические; вещательные телевизоры обеспечивают прием программ в системах монохромного и цветного вещания, в перспективных системах с высокой четкостью изображения и др.

     В соответствии с рекомендациями Международного консультативного комитета по радио (МККР) при построении радиосистем передачи используется спектр радиочастот, разделенный на девять диапазонов (таблица 1). Современные РПрУ работают во всех этих радиодиапазонах, из которых наиболее широко используются диапазоны от НЧ до КВЧ включительно, а также на инфракрасных и видимых волнах оптического диапазона¹

Классификация диапазонов волн

Таблица 1.

     Приемники различных диапазонов могут существенно  отличаться по структуре, схемной и конструктивной реализациям, элементной базе, однако существуют РПрУ, которые обеспечивают прием в нескольких диапазонах («всеволновые»). Приемники звукового вещания работают в диапазонах волн: длинных (ДВ; НЧ), средних (СВ; СЧ), коротких (KB; ВЧ), ультракоротких (УКВ; ОВЧ), дециметровых (ДМВ; УВЧ). Вещательные телевизоры осуществляют прием программ наземных телевизионных систем в метровом и дециметровом диапазонах. В дециметровом и сантиметровом диапазонах работают РПрУ радиорелейных и спутниковых систем связи и телевизионного вещания. Приемники систем прямой меж спутниковой связи и телевизионных систем высокой четкости должны обеспечивать прием на миллиметровых, деци-миллиметровых и оптических волнах.

     По  виду принимаемых сигналов приемники  делят на два класса: непрерывных (аналоговых) и дискретных сигналов. По виду принимаемой информации различают РПрУ радиотелефонные, звукового вещания, факсимильные, телевизионные, радиотелеграфные, передачи данных и др. Существуют, особенно в системах радиосвязи, РПрУ, предназначенные для приема информации различных видов. В зависимости от вида используемой модуляции (манипуляции в случае дискретных сигналов) бывают приемники амплитудно-модулированных (AM), частотно-модулированных (ЧМ), фазомодулированных (ФМ) сигналов, сигналов с одной боковой полосой (ОБП) и различными видами импульсной модуляции и др.

     Кроме того, различают РПрУ:

     по  месту установки - стационарные, мобильные, бортовые переносные;

     по  способу питания - питаемые от сети переменного тока, от аккумуляторов, гальванических или солнечных батарей, с универсальным питанием;

     по  способу управления и коммутации - с ручным, частично или полностью  автоматизированным, дистанционным, комбинированным управлением.

     Первые  РПрУ, пригодные для практического  применения, были построены и продемонстрированы в 1895 г. русским физиком и электротехником А.С. Поповым, а также запатентованы итальянским изобретателем и предпринимателем Г. Маркони (1897 г.). Научной основой для создания этих устройств, положивших начало радиотехнике, послужили фундаментальные и прикладные физические исследования в области теории возбуждения, излучения и улавливания электромагнитных волн, проведенные во второй

половине  XIX века Дж. Максвеллом, Г. Герцем, Э. Бранли, О. Лоджем, Н. Тесла и другими учеными. В качестве индикатора электромагнитных волн в этих РПрУ использовался так называемый когерер. Низкая чувствительность последнего, отсутствие усиления мощности принимаемых сигналов и резонансных колебательных систем существенно ограничивали радиус действия таких приемников и не позволяли реализовывать важную функцию избирательности полезного сигнала среди других сигналов и помех. На рубеже XIX-XX веков повышение чувствительности и избирательности РПрУ за счет замены когерера детектором, применения резонансных контуров и слухового приема, совершенствования антенн позволило реализовать весьма эффективные по тем временам военные и гражданские системы радиосвязи на суше и на море, а также провести ряд экспериментов по другим применениям радио (метеорология, определение местоположения объектов, отражающих радиоволны и др.).

     Качественно новый полувековой этап развития техники РПрУ, как и всей радиотехники, начался с применения электронных  ламп - диода (1904 г.), использовавшегося  преимущественно в качестве детектора, и особенно триода (1907 г.), применение которого для усиления мощности принятых сигналов обеспечило многократное повышение- чувствительности ламповых приемников по сравнению с детекторными. Предложенный в 1913 г. принцип регенеративного приема позволил еще более увеличить чувствительность и избирательность РПрУ прямого усиления. Уже в годы первой мировой войны приемники, в которых триоды использовались для усиления, детектирования и преобразования сигналов, обеспечивали устойчивую радиосвязь на расстояниях свыше тысячи километров.

     В 1918 г. был разработан обладающий значительными  преимуществами супергетеродинный метод приема, однако его широкое внедрение стало реальным только с появлением 1926-1930 гг. экранированных ламп - тетродов, пентодов и других многосеточных усилительно-преобразовательных ламп. С начала 30-х годов этот метод приема является основным во всем радиодиапазоне волн. Ведущие страны мира в 30-40 гг. приступили к серийному промышленному производству РПрУ различного назначения - в первую очередь для систем радиовещания, профессиональной радиосвязи и электронного телевидения.

     В указанный период в связи с  перегруженностью освоенных радиодиапазонов  и потребностями высококачественного  электронного телевидения усиленно изучался и осваивался диапазон УКВ, для повышения качества и надежности радиоприема разрабатывались эффективные методы модуляции и борьбы с помехами. Были предложены и стали внедряться ЧМ, AM с ОБП, ФМ и кодовая модуляции, освоены синхронный приём и прием телеграфных сигналов с улучшенным качеством. В годы второй мировой войны в связи с разработкой радиолокационных и радиорелейных систем начинается освоение дециметрового и сантиметрового диапазонов волн, получает развитие теория и техника радиоимпульсного приема. В конце 40-х годов были разработаны новые типы электронных приборов СВЧ (дисковые триоды, отражательные клистроны, лампы бегущей волны и др.) и освоены методы построения РПрУ этого диапазона.

     В решении проблемы помехоустойчивости радиоприема возникло новое направление, основанное на изучении и использовании различий в статистических характеристиках сигналов и помех с помощью методов теории передачи информации. Одним из важнейших достижений на этом направлении было создание теории потенциальной помехоустойчивости приема (1946 г.), на базе которой развивается современная теория анализа и синтеза радиосистем, оптимальных по помехоустойчивости.

     В 50-е годы начался новый этап развития техники радиоприема на основе достижений полупроводниковой электроники. Детекторные свойства пары «металл-полупроводник» нашли применение еще на заре радиотехники, а с использованием усилительных и генераторных свойств такой пары был даже создан высокочувствительный безламповый радиоприемник-кристадин (1923 г.). Широкому внедрению полупроводниковых приборов способствовало изобретение транзистора (1947 г.). Быстрый процесс «транзисторизации» привел к вытеснению электронных ламп из радиоприемной аппаратуры умеренно высоких частот, а разработка малошумящих полупроводниковых параметрических усилителей (ППУ) и появление туннельного диода (ТД), также использовавшегося для малошумящего усиления, «продвинули» этот процесс в СВЧ диапазон. В 60-х годах начинает развиваться микроэлектроника, и 80-е годы характеризуются широким внедрением в РПрУ сначала аналоговых, а затем и цифровых интегральных микросхем (ИМС), что наряду с дальнейшим повышением надежности и улучшением массогабаритных и энергетических показателей радиоприемников позволило осуществлять сложные, ранее нереализуемые принципы и методы приема и обработки сигналов.

     В настоящее время техника радиоприема  развивается по следующим основным направлениям:

     дальнейшее  освоение наиболее высокочастотных  диапазонов волн, включая миллиметровый, децимиллиметровый и оптический,

     широкое внедрение методов и средств  цифровой обработки сигналов, микропроцессорной  и вычислительной техники для  автоматизации РПрУ;

     совершенствование методов борьбы с помехами;

     значительное  улучшение качественных показателей  РПрУ, увеличение функциональной сложности приемной техники;

     повышение степени интеграции функциональных узлов и блоков РПрУ. 
 
 
 
 
 

     1.2. Структура и принцип действия радиоприемных устройств 

     В соответствии с занимаемым в радиоканале  местом РПрУ должны обеспечивать следующие  основные функции:

     выделение полезного сигнала из смеси с  шумом или другими мешающими  сигналами;

     усиление  полезного сигнала;

     ослабление  мешающего действия помех, присутствующих во входных колебаниях;

     детектирование  радиочастотных сигналов с целью  формирования колебаний, соответствующих передираемому сообщению.

     Помимо  указанных основных функций для  многих современных РПрУ характерно выполнение и других сложных функций, например: частотное преобразование принимаемых радиосигналов с целью перенесения в область частот, где обеспечиваются наилучшие условия их обработки; изменение параметров РПрУ для достижения заданного или наилучшего качества его работы (адаптация) при изменениях электромагнитной обстановки в месте приема, определяемой совокупностью всех помех.

     Обобщенная структурная схема, отражающая основные функции РПрУ, представлена на рисунок 2. Она состоит из пяти функциональных блоков-трактов. 

Рисунок 2. 

     В усилительно-преобразовательном тракте (УТ) осуществляется выделение полезных сигналов из всей совокупности поступающих от антенны А сигналов и помех, не совпадающих по частоте с полезным сигналом, и усиление последнего до уровня, необходимого для нормальной работы последующих каскадов. Хотя в УТ с сигналом могут производиться некоторые нелинейные процедуры (смещение спектра, ограничение амплитуды и др.), в принимаемую информацию указанный тракт существенных искажений не вносит и в этом смысле его можно считать линейным.

     В информационном тракте (ИТ) осуществляется основная обработка сигнала с целью выделения содержащейся в нем информации (демодуляции) и ослабление мешающего воздействия помех. При этом важнейшей задачей является выделение информации с максимальной достоверностью - так называемый оптимальный прием. Для этого в составе ИТ предусматриваются оптимальный фильтр, цепи последетекторной обработки, следящие системы частотной (ЧАПЧ) и фазовой (ФАПЧ) автоматической подстройки частоты, используемые для демодуляции сигнала, а также для его поиска и сопровождения по частоте, фазе и задержке.

     Гетеродинный  тракт (ГТ) преобразует частоту собственного или внешнего опорного генератора и  формирует сетки частот, необходимые для работы преобразователей частоты в УТ, следящих систем и устройств обработки сигнала в ИТ. Зачастую это сложное самостоятельное устройство - синтезатор частот (СЧ), обеспечивающий работу и других подсистем радиосистемы, прежде всего РПрУ.

     Тракт адаптации, управления и контроля (ТАУК) позволяет осуществлять ручное, дистанционное  и автоматизированное управление режимом  работы РПрУ (включение и выключение, поиск и выбор сигнала, адаптация к изменяющимся условиям работы и т.д.) и отражает качество его работы на соответствующих индикаторах. В оконечном устройстве (ОУ) энергия выделяемого сигнала используется для получения требуемого выходного эффекта - акустического (телефон, громкоговоритель), оптического (кинескоп, дисплей), механического (печатающее устройство).

     Вторичный источник питания (ВИП) преобразует  энергии первичного источника в  форму, удобную для использования  непосредственно в РПрУ. В ВИП может осуществляться преобразование напряжения, выпрямление, фильтрация, стабилизация.

     Радиоприемные устройства обладают всеми свойствами, характерными для подсистем сложной системы. Они взаимодействуют с другими элементами радиосистемы (РПдУ, антенной, устройствами управления и контроля и др.), с окружающей средой и оператором. Иерархичность структуры РПрУ проявляется в том, что отдельные тракты, блоки и узлы являются управляющими для одних и управляемыми для других элементов подсистемы. Поскольку прием полезных сигналов всегда осуществляется в условиях воздействия недетерминированных, непредсказуемых помех, функционирование приемной подсистемы носит стохастический характер.

     Рассмотренная структурная схема является наиболее общей, однако в конкретных РПрУ отдельные связи между трактами и даже некоторые тракты могут отсутствовать или выполнять более ограниченный набор функций, при этом упрощение структуры приемного устройства и ограничение функций отдельных трактов снижают полноту реализации возможностей радиоприема. Наибольшая эффективность приема достигается при объединении нескольких РПрУ в радиоприемные системы, управляемые на основе адаптивных алгоритмов. В таких системах каждое РПрУ принимает одну и ту же информацию в различных условиях приема (на разных частотах, в пространственно разнесенных точках, с разными антеннами и т.д.) и под управлением компьютера осуществляется обработка всех принятых сигналов или выделение сигнала, соответствующего наилучшим условиям приема. В системах радиосвязи часто используется прием многоканальных сообщений. В РПрУ таких систем имеется дополнительный тракт разделения каналов с последующими ОУ в каждом канале. 
 

1.3. Показатели радиоприемных устройств 

     Качественные  показатели РПрУ определяются электрическими, конструктивно-эксплуатационными и производственно-экономическими характеристиками.

     Одна  из важнейших электрических характеристик  радиоприемника - чувствительность, под которой понимают способность приемника принимать слабые сигналы. Количественно чувствительность оценивается минимальной ЭДС в антенне Е_А0 (для РПрУ умеренно высоких частот) или номинальной мощностью P_A0 (для РПрУ СВЧ) нормально модулированного сигнала, при которых на выходе приемника сигнал воспроизводится с требуемым качеством. Под требуемым качеством обычно понимается либо получение заданного уровня сигнала на выходе, обеспечивающего нормальное функционирование ОУ при определенном отношении мощности сигнала к мощности шумов (С/Ш), либо реализация одного из вероятностных критериев принятого сигнала. Данное определение справедливо для тех случаев, когда внешние помехи мало влияют на прием, что характерно, например, для приемников со сравнительно малым усилением в УТ, принимающих достаточно сильные сигналы. При этом чувствительность ограничена усилением УТ: чем выше усиление, тем больше уровень сигнала на выходе РПрУ и тем легче получить нужное качество приема.