Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Цифровое радиоприемное устройство

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

РГРТУ

КАФЕДРА РТУ

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

НА ТЕМУ «ЦИФРОВОЕ РАДИОПРИЁМНОЕ УСТРОЙСТВО»

ВЫПОЛНИЛ:

СТУДЕНТ 715 ГРУППЫ

КОТОВ И.И.

ПРОВЕРИЛ:

КСЕНДЗОВ А.В.

РЯЗАНЬ 2011

Содержание.

Техническое задание	3
1. Введение	4
2. Предварительный выбор элементной базы	5
3. Расчет частотного плана	8
4. Расчет энергетического плана	10
5. Расчет динамического диапазона	13
6. Выбор цифровой части приемника	15
7. Заключение	20
8. Литература	21
9. Приложение: схема электрическая принципиальная	22

Федеральное агентство по образованию РФ

РЯЗАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

КАФЕДРА РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ N _____

на курсовой проект по дисциплине

«Цифровые радиоприемные устройства»

Студент Котов И.И. Курс V Группа 715

Руководитель А.В. Ксендзов

Срок предоставления проекта к защите 10 ноября 2011 г.

Наименование проекта

ЦИФРОВОЕ РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО

Технические данные

1	Диапазон рабочих частот, МГц	₈_00,…,900,
2	Ширина спектра сигнала, кГц	Δf = 1000
3	Чувствительность, мкВ	Emin = 20
4	Отношение сигнал-шум на выходе линейного тракта, дБ	q_вых = 12
5	Динамический диапазон сигнала, дБ	_D_вых=50
6	Избирательность по не основным каналам приема, дБ
7	Входное сопротивление аналогового тракта, Ом

Подпись руководителя ____________

Подпись студента ____________

Введение.

В данном курсовом проекте необходимо разработать цифровое радиоприемное устройство, которое не только удовлетворяло бы техническому заданию, но и отвечало современным требованиям на массогабаритные показатели. А также стоимость этого устройства должна быть взята в расчет при выборе элементной базы. Современные ЦРПУ строятся по двум возможным схемам в зависимости от диапазона рабочих частот. В данной работе рассмотрен спорный диапазон (850-950 МГц), так как современные технические средства, отличающиеся простотой и относительной дешевизной недавно подошли к данным частотам, когда как использование более устойчивой супергетеродинной схемы приводит к увеличению шумов на выходе схемы и ее габаритов. Поэтому, руководствуюсь этими принципами был использован прямой метод преобразования частоты.

Предварительный выбор элементной базы.

Для выбора элементной базы рассмотрим состав общей структурной схемы цифрового радиоприемника – рис.1.

Рис. 1. Общая структурная схема цифрового приемника

Рассмотрим назначений частей структурной схемы.

Аналоговая часть приемника во многом зависит от заданных рабочих частот, полосы сигнала, избирательности по зеркальному и соседнему каналу, чувствительности и т.д. Этот тракт выполняет предварительную селекцию и усиление принимаемых сигналов.

Далее сигнал поступает в цифровую часть приемника, в которой осуществляется основная селекция сигналов, их демодуляция, дополнительная обработка и т.д.

Исходя из заданных частот построим приемник по схеме с прямым преобразованием частоты. В этой схеме используются входная цепь, но отсутствует преобразование частоты гетеродином. Отсутствие смесителя и синтезатора частот улучшают шумовые характеристика приемника, так как дополнительные ИМС имеют достаточно высокие коэффициенты шума, а использование малошумящих – дорогостояще. ВЦ осуществляет частотную селекцию сигналов, подавление помех и защиту первых каскадов.

Входная цепь отличается от ранее используемых резонансных контуров на дискретных элементах. Сейчас применяются фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Данные фильтры позволяют получить широкую полосу частот, малые потери и эффективно подавить помехи вне полосы. Достаточно выбрать один или несколько, объединенных в группу, фильтров, которые охватят нужную полосу частот.

В качестве входной цепи выберем фильтр на ПАВ 5555М-850

Усилитель резонансной частоты. Правильный выбор УРЧ позволяет реализовать требуемую чувствительность и в максимальной степени сократить шумы всего тракта. Поэтому УРЧ должен быть малошумящим, т.е. с малым коэффициентом собственного шума. Среди всего многообразия активных элементов, на которых возможно построение каскадов УРЧ, следует выделить полевые малошумящие транзисторы и микросхемы. Поскольку мы реализуем цифровой приемник (отличающийся большим количеством микросхем), то и УРЧ выполним на микросхеме. Выберем ИМС фирмы Maxim MAX2371 со следующими характеристиками:

- полоса усиливаемых частот 100 – 1000 МГц

- максимальный коэффициент устойчивого усиления (на частоте 900 МГц, при управляющем и питающем напряжении +3В) 20 дБ

- коэффициент шума (на частоте 850 МГц) 1.8 дБ

- номинальное напряжение питания +3В

- наличие АРУ

Рис. 2. Структурная схема MAX2371

Фильтр промежуточной частоты и усилитель промежуточной частоты используется для дополнительной фильтрации сигнала и увеличения его мощности. В зависимости от выбора УРЧ можно принять решение об использовании эти устройств. Если выбранный УРЧ удовлетворяет заданным условиям работы цифрового приемника, то нет необходимости перегружать схему дополнительными узлами, а сразу подавать сигнал на АЦП. В ином случае, если фильтрации и усиления недостаточно, то в зависимости от анализа работы УРЧ следует точно выбрать параметры ФПЧ и УПЧ, чтобы также не перегружать схему дополнительными узлами, так как от площади, занимаемой блоками цифрового приемника, напрямую зависят его габариты, а от сложности - стоимость.

АЦП производит дискретизацию во времени и квантование по уровню принятого аналогового сигнала. Частота взятия отсчетов должна быть согласована с шириной спектра сигнала и частотой сигнала.

Цифровая обработка сигнала основанная на DDC (Digital Down Converter) и микроконтроллере (микропроцессоре, цифровом сигнальном процессоре), осуществляет требуемую обработку сигнала по внутренней программе, написанной разработчиком.

Цифровой синтезатор частот (DDS) вырабатывает необходимые тактовые сигналы, в первую очередь частоту дискретизации для АЦП.

Микроконтроллер управляет работой схемы через DDC.

Расчет частотного плана.

Частотный план представляет собой ось частот, на которой отображены спектр сигнала, АЧХ преселектора и другие необходимые параметры. Для его построения первостепенным является нахождение частоты дискретизации.

Для расчета частоты дискретизации необходимо знать следующие параметры:

- центральная частота полосы сигналов:

f₀= (f_max-f_min)/2= [(900-800)×10⁶]/2= 50МГц

- полоса рабочих частот определяется по реальной полосе, которая получается после входной цепи (ПАВ фильтра), на уровне избирательности по не основным каналам. С учетом спецификаций на фильтры было определено, что полоса частот на уровне -60 дБ равна

Df_N=130МГц

- ширина спектра сигнала Df_S=1000кГц

Число частотных каналов равно:

N=Df_N /Df_S=(130×10⁶)/(1000×10³)=130

Частоту дискретизации рассчитываем по алгоритму:

Нулевое приближение частоты дискретизации:

f_д0=2×Df_N=2×130×10⁶=260МГц

k= f₀/ f_д0=(850×10⁶)/(260×10⁶)=3

Первое приближение к частоте дискретизации:

f_д1=(4×f₀)/(4×k+1)=(4×850×10⁶)/(4×3+1)=262МГц

Так как условие выполняется, то конечная частота дискретизации равна: f_д=262МГц

В результате анализа разновидностей АЦП был выбран аналого-цифровой преобразователь AD9218 с характеристиками приведенными в приложении:

Изобразим частотный план – рис. 3.

Рис. 3. Частотный план

Расчет энергетического плана.

Энергетический план устанавливает соотношения между параметрами аналоговой и цифровой частями. В результате анализа получается выражение, позволяющее выявить взаимосвязь между характеристиками аналоговой и цифровой части. Это дает способ, изменять параметры одной части, варьируя параметры другой.

При расчете шумовых параметров в скобках указаны их значения в дБ по мощности.

Рассчитаем коэффициент шума аналоговой части:

- коэффициент шума входной цепи, – коэффициент шума МШУ

При этом коэффициент шума входной цепи обратно пропорционален ее коэффициенту передачи:

Коэффициент передачи по мощности входной цепи равен (согласно техническим данным на фильтры, среднее затухание равно 3 дБ):

_H_{p.ВЦ=10^-3/10=0.501}

_{KшВЦ=1/0.501=1.99}

Коэффициент шума МШУ на частоте 850 МГц равен 1.06 дБ (по техническим данным на микросхему MAX2371):

_K_{шМШУ =10^1,06/10=1.276}

Тогда коэффициент шума аналогового тракта равен:

_K_{ша=1.99+ (1.276-1)/0.501=2.57}

По мощности это составляет 3.65 дБ

Коэффициент шума всего приемника при согласовании равен:

– чувствительность по ТЗ, – отношение сигнал-шум на выходе АТ (по ТЗ), - постоянная Больцмана, – сопротивление антенны, – шумовая температура антенны, - рабочая температура

В ходе анализа [4] примем

T_a=295.5 K

T₀=303 K

Отношение сигнал-шум равно:

_Kш=(20_×_{10^-6)²/(1.38}_×_10^-23_×₃₀₃_×₁₃₀_×_10⁶_×_15.843_×_{50)]-295.5/303+1}_»_0.94

Увеличение коэффициента шума за счет цифровой обработки:

_b_{≥ Kш/Kша=0.94/2.57=0.37}

Возьмем β≈1.1.

Далее найдем мощность шума на входе АЦП при условии согласования АЦП с аналоговым трактом по сопротивлению:

P_{ш.вх.АЦП}=k×T₀×Df_N=1.38×10^-23×303×130×10⁶=0.54×10^-12Вт

Шаг квантования при учете эффективной разрядности АЦП:

А = 5 В – апертура АЦП по документации

На частоте 850 МГц эффективная разрядность АЦП составляет 12 бит.

Мощность шумов квантования определим исходя из предположения о равномерном распределении шума квантования:

R_АЦП– входное сопротивление АЦП согласно документации на АЦП

R_АЦП = 5кОм

Коэффициент шума АЦП равен

_К_{шАЦП=1+(24.8}_×_{10^-12)/(0.54}_×_{10^-12)=46.926}

Так как входное сопротивление АЦП не равно выходному сопротивлению аналогового тракта, то необходимо согласовать. В качестве согласующей цепи можно применить трансформатор длинная линия или повышающий ФНЧ трансформатор, отличающий небольшими габаритами, малым коэффициентом потерь и получением любого коэффициента трансформации. Кроме того, ФНЧ трансформатор можно согласовать с полосой рабочих частот и дополнительно давить помехи.

Коэффициент трансформации согласующей цепи:

Тогда шаг квантования изменяется:

Коэффициент усиления аналоговой части выбирается с тем расчетом, чтобы вклад цифровой части в шумы был сравним с вкладом аналоговой части. При этом АЦП вносит наибольшие шумы из всей цифровой части (по аналогии с первыми каскадами УРЧ), т.к. последующие процессоры имеют большую разрядность (16 и более бит).

Максимальный коэффициент усиления выбранного МШУ на центральной частоте равен 20 дБ (100). Возьмем H_Pa = 550 (27дБ).

Проверим полученный коэффициент шума приемника и сравним его с допустимым коэффициентом, рассчитанный выше:

Требование по шумам выполняется.

Проверим отношение сигнал-шум на выходе приемника без учета шумов последующей цифровой обработки:

Расчет динамического диапазона.

Расчет динамического диапазона необходим для оценки корректной работы АЦП, т.к. при большом уровне входного сигнала АЦП, выходящего за его апертуру, возможны искажения выходного сигнала.

Исходными данными для расчета являются:

- номинальное число разрядов АЦП ,

- апертура АЦП ,

- коэффициент усиления аналогового тракта по мощности ,

- число каналов приема ,

- чувствительность ЦРПУ ,

- динамический диапазон входных сигналов ЦРПУ ,

- коэффициент формы входных сигналов .

Уровень максимального сигнала находится из предположения, что во всех каналах приема находится сигнал:

D_ВХ – динамический диапазон входного сигнала (по ТЗ)

Рассчитаем число уровней квантования для преобразования минимального и максимального сигнала на входе АЦП:

Где К_ф - пик-фактор сигнала (для случайного гауссовского сигнала равен, наихудший случай приема)

Максимальное значение уровней квантования превышает значение выбранного АЦП (), поэтому необходимо ввести автоматическую регулировку усиления.

Рассчитаем глубину регулировки. Она показывает во сколько раз необходимо понизить коэффициент усиления по мощности (напряжению), чтобы обеспечить размах сигнала на входе АЦП не более его апертуры.

Полученная цифра означает, что усиление аналогового тракта с 27 дБ необходимо изменить до:

В качестве аттенюаторов возьмем изделия фирмы M/A-COM AT-210, являющиеся аттенюатором на GaAs-технологии с цифровым управлением. Его характеристики:

- затухание в режиме прямого пропускания 1.3 дБ;

- уровни ослабления дискретные: 1, 2, 4, 8, 15 дБ;

- точка iIP3 50 dBm на частоте от 0.5 – 2 ГГц

- относительная точность регулировки ±(0.15+3% от установленного значения) дБ;

- количество управляющих бит – 4

Для реализации заданной глубины регулировки выгоднее использовать два аттенюатора и нужный коэффициент набирать из их суммы. Ближайшее значение к рассчитанному коэффициенту ослабления равно 15+15=30 дБ, что дает запас по апертуре АЦП с учетом его недоиспользования и действия тепловых шумов. Управляться аттенюаторы будут с микроконтроллера.

Так как аттенюаторы даже в режиме прямого прохождения дают затухание, то необходимо на эту же величину поднять усиления МШУ.

Скорректированное значение коэффициента усиления МШУ равно:

Установить требуемое усиление, как говорилось выше, возможно путем установки управляющего напряжения на МШУ. Данное усиление соответствует напряжению контроля V_c=1.2 В.

Выбор цифровой части приемника.

Для осуществления последующей обработки принятого сигнала – детектирования, - необходим цифровой процессор. В настоящее время в качестве таковых используются RSP (Receive Signal Processor), которые имеют в своем составе DDC (Digital Down-converter). В связке с ним часто используют МС (микроконтроллер), детектирование сигнала и управление всей работой приемника выполняет ЦСП (DSP) (Digital Signal Processor). Управление работой приемника осуществляется через цифровой синтезатор частот DDS. Выберем эти элементы, исходя из поступающих после аналоговой цепи сигналов, самой аналоговой цепи и структуры цифровой части приемника.

Выбранный АЦП AD9218 имеет конвейерную структуру – рис. 4.

Рис.4. Структура АЦП AD9218

Выбор микросхемы DDC производится исходя из скорости оцифровки АЦП, интерфейса поступающего кода (параллельного или последовательного), разрядности входных данных. Поэтому в качестве микросхемы DDC выберем AD6636:

4 канала входных данных (возможны I и Q каналы);
скорость ввода данных – до 150 MSPS;
параллельный интерфейс ввода данных;
разрядность входных данных – с фиксированной точкой (16 бит) или с плавающей точкой (16 мантисса+3 экспонента);
встроенные цифровые гетеродины NCO с заданием частоты в виде 32-разрядного цифрового кода;
фильтры для осуществления децимации и фильтрации;
порты SPORT, SPI для связи с ЦП/МК;
SNR=101 дБ;
напряжение питания 3.3 В, 1.8 В;
максимальный ток потребления 500 мА.

Рис.5. Структура DDC AD6636

Для осуществления последующей цифровой обработки (селекции нужного канала, детектирования и т.д.) возьмем цифровой сигнальный процессор ADSP-BF533 – рис. 8. Он является высокопроизводительным решением фирмы Analog Devices семейства Blackfin. Основные характеристики данного процессора:

максимальная частота ядра 600 МГц;
два 16-битных перемножителя MAC, два 40-битных АЛУ;
до 146 КБ внутренней памяти;
параллельный интерфейс ввода/вывода, интерфейс SPI, SPORT, JTAG;
3 таймера/счетчика с ШИМ-режимом;
напряжение питания 3.3 В.

Рис.6. Структура ADSP-BF533

В качестве генератора напряжения частоты дискретизации целесообразно выбрать цифровой метод синтеза частоты. С учетом запаса частоты (примерно в 4-5 раз) возьмем микросхему DDS AD9859:

диапазон генерируемых частот – 1…400 МГц (без умножения частоты);
разрешение цифрового кода в ЦАП – 10 бит;
разрядность кода частоты – 32 бит;
SFDR на частоте 80 МГц – 87 dBc;
напряжение питания 1.8 В и 3.3 В.

Рис.7. Структура DDS AD9859

Для управления работой микросхем приемника возьмем микроконтроллер ATmega64-16Aw:

Flash память программ: 64 Кбайт;
Память данных: EEPROM 2 Kбайт, SRAM 4 Кбайт;
Количество линий ввода/вывода: 53;
Количество источников прерываний: 26 (внутренние), 8(внешние);
Интерфейсы: 1 SPI, 2 USART, 1 TWI;
Рабочая частота: 0…16 МГц;
Напряжение питания: 4.5…5.5 В.

Рис.8. Структура MC Atmega64

Управление синтезатором частоты AD9859 (запись кода частоты) организуем по последовательному порту SPI, управление AD6636 – по USART0, управление переключением входных фильтров (ADG904) и аттенюаторов через порты микроконтроллера. Включение аттенюаторов выполним с использованием функции Control Gain. Смысл функции заключается в измерении мощности сигнала и превышении заданного порога – формирование сигнала управления через выводы EXP[2…0] на внешнюю схему – микроконтроллер, который в свою очередь управляет аттенюаторами. Кроме того, в качестве внешнего управления, например с компьютера, всего приемника возьмем COM-порт (RS-232) по протоколу RS-485, для чего использует транслятор уровней ADM488 и порт USART1 микроконтроллера.

Подсчитаем количество необходимых выводов управления:

6 выводов на переключатели на два ADG904;
8 выводов на аттенюаторы (инверсные биты формируются инверторами SN54ALS);
3 вывод на АЦП AD9254;
5 вывода на DDC AD6636;
3 вывода на DDS AD9859;

Заключение.

В данной работе была разработана схема ЦРПУ основанная на прямом методе преобразования частоты. Был произведен расчет параметров и режимов схемы при данном методе построения. В ходе данного проекта были рассмотрены и рассчитаны основные проблемы и параметры цифрового радиоприемного устройства. В основе построенного приемника лежит современная элементная база, удовлетворяющая требованиям технического задания. Имеется запас по наращиванию сервисных функций приемника.

Литература.

Побережский Е.С. Цифровые радиоприемные устройства. – М.: Радио и связь, 1987. – 184 с.: ил.
Цифровые радиоприемные устройства: Методические указания к лабораторным работам/РГРТУ; Сост. Ю.Н. Паршин. Рязань, 2004. 52 с.
Лекции по курсу «ЦРПрУ», лектор Ю.Н. Паршин
http://www.analog.com – Analog Devices
http://www.maxim-ic.com/
http://www.ua1cbm.ru/
http://zone.ni.com – National Instr.