Цифровой передатчик низовой радиосвязи

 

Содержание

Введение4

1 Выбор и обоснование  структурной схемы передатчика  6

2 Разработка функциональной  схемы 8

3 Расчет параметров функциональных  узлов передатчика 10

4 Разработка электрической  принципиальной схемы передатчика  12

4.1 Выбор  модулятора14

4.2 Выбор  микроконтроллера14

4.3 Выбор  последовательного интерфейса связи16

4.4 Устройства  ввода/вывода18

4.5 Усилитель  мощности20

4.6 Выходная  колебательная система21

5 Техническое описание  передатчика 22

6 Электрический расчет  оконечного каскада усилителя  мощности 23

Заключение 27

Список литературы 28

Приложение А Цифровой модулятор AD995730

Приложение Б Микроконтроллер ADSP-BF53333

Приложение В Последовательный порт RS-48538

Приложение Г Дисплей WH0802A39

Приложение Д Расчет параметров работы транзистора40

 

 

Приложение Е Расчет параметров согласующих индуктивных и емкостных элементов41

Приложение Ж Расчет ВКС 42

 

Введение

 

В любой системе связи есть радиопередающее устройство, которое предназначено для преобразования энергии постоянного тока источников питания в электромагнитные колебания, а также для управления созданными колебаниями. На сегодняшний день уже совершенно ясно видно, что развитие радиопередатчиков напрямую коррелирует с развитием элементной базы. Широкое применение в современных передатчиках цифровых и аналоговых интегральных микросхем позволяет уменьшить размеры устройств, а также облегчить их настройку и управление. Применение квантовых генераторов и синтезаторов частоты позволяет серьезно увеличить стабильность несущих высокочастотных составляющих.

Сегодня перед разработчиками современных радиопередатчиков стоят такие требования, как мобильность, низкая стоимость, малые размеры, большой коэффициент полезного действия, высокая стабильность частоты, возможность передачи телеграфных сообщений и перестройки по частоте несущих высокочастотных колебаний.

Цель данной курсовой работы: разработка цифрового передатчика низовой радиосвязи.

В техническом задании подробно представлены все требования, необходимые для проектирования передатчика. Все шаги, для достижения поставленной цели курсовой работы последовательно описываются в нескольких частях, на которые разбит этот проект. В первой главе рассматриваются варианты структурных схем будущего устройства, в итоге, осуществляется выбор подходящей. Вторая глава содержит в себе подробное описание функциональной схемы разрабатываемого передатчика. В третьей главе рассчитываются параметры функциональных узлов передатчика, а также вычисляются требуемый общий коэффициент усиления для усилителя мощности и КПД ВКС. В четвертой главе происходит подбор интегральной элементной базы, используемой в проектируемом передатчике, с приведением основных параметров и структурных схем для каждого выбираемого устройств. Четвертая глава также содержит описание применяемого усилителя мощности и ВКС. В пятой главе проектируемый передатчик рассматривается с точки зрения условий эксплуатации аппаратуры. В шестой, заключительной, главе выполнен математический расчет оконечного каскада мощности и ВКС, вычислены значения элементов. В приложении к курсовой работе приведены необходимые материалы и информация, не попавшие в основной текст пояснительной записки.

Также приводятся необходимые чертежи структурной, функциональной и электрической принципиальной схем, выполненные соответственно на форматах А3, А2 и А1.

 

1 Выбор и обоснование структурной схемы передатчика

 

Варианты структурных схем, подходящих для реализации поставленной задачи приведены на рисунках 1.1 – 1.3

 

Рисунок 1.1

 

Рисунок 1.2

Рисунок 1.3

Проанализировав техническое задание и представленные схемы, можно заметить, что все они вполне подходят для достижения цели курсового проекта, однако выбрана была схема, приведенная на рисунке 1.1. Выбор можно объяснить тем, что она является наиболее простой для построения и имеет меньшее количество функциональных узлов, что положительно скажется на простоте дальнейшего проектирования.  
2 Разработка функциональной схемы

 

Разработанная и описанная в этой главе функциональная схема представлена в документе КНФУ.657110.690 Э2.

Исходный цифровой поток поступает на триггер Шмитта. Триггер Шмитта используется для восстановления цифровного сигнала, искаженного в линиях связи. Далее сигнал поступает на синхронный D-триггер (на вход D). Вместе с ним на вход С поступает сигнал синхронизации с тактового генератора, и после прихода активного фронта импульса синхронизации 
D-триггер открывается. Затем сигнал поступает через исключающее ИЛИ на входы двух D-триггеров, эта часть функциональной схемы изображена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1

В конечном итоге схема разделяет исходную последовательность двоичных символов на нечетные импульсы, которые подаются в квадратурный канал (Q), и четные, поступающие в синфазный канал (I). Стоит отметить, что работа триггеров синхронизируется с помощью генератора импульсов (кварцевого резонатора) с частотой 600 кГц, что позволяет обеспечить скорость передачи данных в 600 кбит/с.

Для управления полученными сигналами в заданном частотном диапазоне с необходимым шагом сетки (10 кГц) используется система прямого цифрового синтеза, которая с высокой точностью формирует требуемую несущую частоту на основе опорного сигнала. Работа системы обеспечивается использованием кварцевого резонатора на 25 МГц. Выбор этот обусловлен требованиями к нестабильности частоты. Используя делители и умножители частоты, мы делаем возможным формирование необходимых опорных и синхронизирующих частот.

 

Перестраивая опорную частоту определенным образом, блок прямого цифрового синтеза формирует синусоидальные и косинусоидальные колебания, записывая их после этого в память ПЗУ.

Затем в перемножителях сигналы I и Q смешиваются с необходимыми отсчетами, поступающими с ПЗУ, после этого сформировавшиеся сигналы идут в сумматор, где складываются в единый цифровой поток. Далее получившийся цифровой поток проходит цифро-аналоговое преобразование в четырнадцатиразрядном ЦАП и поступает на фильтр нижних частот. После ФНЧ аналоговый сигнал усиливается по мощности и поступает в выходную колебательную систему, предназначенную для установления заданного уровня побочных излучений, а также являющуюся согласующим звеном с выходным сопротивлением 10 Ом. После ВКС устанавливается передающая антенна, на которой формируется сигнал с требуемой по техническому заданию мощностью. 
3 Расчет параметров функциональных узлов передатчика

 

Расчет параметров функциональных узлов передатчика можно свести в нашем случае к заданию коэффициентов усиления для обеспечения требуемой мощности на выходе.

Общий коэффициент усиления:

Здесь необходимо учитывать, что выходная колебательная система вносит некоторое затухание, поэтому выходная мощность определяется следующим образом:

, где  - КПД ВКС.

КПД ВКС получается по следующей формуле для затухания δ:

, после чего определяется  КПД ВКС:

.

Рассчитаем необходимый коэффициент усиления при Iout = 31,6 мА,  
Uout = 0,5 В (выходные параметры ЦАП):

.

Для того, чтобы получить требуемый коэффициент усиления на заданных частотах, используется трехкаскадный усилитель мощности, каждый каскад строится на основе биполярного транзистора, подключенного по схеме с общим эмиттером. Коэффициенты усиления по каскадам распределяются следующим образом:

Kp1 = 8 раз;

Kp2 = 8 раз;

Kp3 = 8 раз.

Таким образом, сигнал по мощности будет усилен в 512 раз, что при учете дополнительных потерь в усилительных трактах и в ВКС с достаточным запасом обеспечивает необходимый общий коэффициент усиления.

 

 

4 Разработка электрической  принципиальной схемы передатчика

В процессе разработки электрической принципиальной схемы передатчика потребуется осуществить подбор следующих устройств:

- I/Q модулятор со встроенной системой прямого цифрового синтеза и ФАПЧ;

- микроконтроллер;

- интерфейс  связи с внешними устройствами;

- устройства  ввода/вывода;

- усилитель  мощности;

- выходная  колебательная система.

 

4.1 Выбор модулятора 

 

В рассмотрение будут взяты цифровые модуляторы фирмы Analog. Сравнительные характеристики некоторых из них приведены в таблице 4.1.

 

Таблица 4.1

Название	Тактовая частота работы	Выходная разрядность (бит)	Длина управляющего слова (бит)	I/O интерфейс
AD9959	500MHz	10bit	32bit	Serial
AD9957	1GHz	14bit	32bit	Serial
AD9910	1GHz	14bit	32bit	Parallel, Serial
AD9854	300MHz	12bit	48bit	-

 

Был выбран соответствующий всем требованиям к параметрам I/Q модулятор AD9957 с тактовой частотой работы 1 ГГц.

AD9957 обеспечивает функции универсального  квадратурного модулятора и быстродействующего  преобразователя с повышением  частоты для систем связи, в  которых особенно важны стоимость, габариты, потребляемая мощность и динамические характеристики. AD9957 представляет собой интегрированные в одном кристалле быстродействующий синтезатор прямого цифрового синтеза (DDS, direct digital synthesizer),высококачественный, быстродействующий 14-разрядный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), схему умножения частоты тактового сигнала, цифровые фильтры и другие функции цифровой обработки сигналов. Он обеспечивает перенос сигнала из полосы модулирующих частот (baseband) на более высокую частоту для передачи данных в проводных или беспроводных системах связи. Структурная схема AD9957 приведена на рисунке 4.1.

 

Рисунок 4.1 – Структурная схема AD9957

Условное графическое изображение и назначение контактов представлены в Приложении А.

 

 

4.2 Выбор микроконтроллера

 

Выбор микроконтроллера осуществляется с учетом того, чтобы обеспечивалось наличие достаточного количества портов для подключения модулятора, последовательного интерфейса, дисплея и клавиатуры.

Проведем анализ микроконтроллеров (сигнальных процессоров), выпускаемых компанией Analog. Основные их характеристики представлены в таблице 4.2. В рассмотрение возьмем семейство Blackfin, так как эти микроконтроллеры рекомендованы разработчиком для подключения к AD9957.

 

Таблица 4.2 – Сравнительная таблица выбора микроконтроллеров

 

Name	Clock Speed MHz (Max)	MMACS (Max)	L1 SRAM	External Memory Bus
ADSP-BF531	400 MHz	800	52 KBytes	16 bit
ADSP-BF532	400 MHz	800	84 KBytes	16 bit
ADSP-BF533	600 MHz	1500	148 KBytes	16 bit
ADSP-BF561	600 MHz	2400	-	32 bit

 

В данном случае выбор падает на микроконтроллер ADSP-BF533. Он характеризуется высокой частотой работы и достаточно большим количеством операций, выполняемых в секунду.

ADSP-BF533 - яркий представитель нового  семейства 16-разрядных процессоров Blackfin. Процессоры Blackfin обеспечивают  новый уровень производительности  и экономичности при обработке  сигналов и эффективности, в то  же время предлагая все преимущества 16/32-разрядных RISC-процессоров с архитектурой SIMD (одна команда - много данных). Процессоры Blackfin обладают высокопроизводительной  и однородной системой команд, которая позволяет одновременно  выполнять обработку сигналов  и выполнять функции микроконтроллера. Управляющие команды обычно могут выполняться в теневом режиме, когда процессор в основном занят задачами обработки мультимедийных сигналов.

Области применения: встроенные системы, высокопроизводительные и мало потребляющие устройства в области аудио, видео и коммуникаций. Портативные и сетевые медиаплееры, телематика в автоэлектронике, информационно-развлекательные системы и драйверы, спутниковая и наземная радиосвязь и вещание, а также сетевые системы безопасности.

Структурная схема ADSP-BF533 приведена на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 – Структурная схема ADSP-BF533

Микроконтроллер выполнен в корпусе 160-Ball CSP_BGA, номера контактов представлены в соответствующем для данного типа корпуса виде.

Назначение контактов представлено в Приложении Б.

 

 

 

4.3 Выбор последовательного  интерфейса связи

 

Было принято решение проводить выбор последовательного интерфейса связи из вариантов, предлагаемых компанией Analog Devices. Это связано с существенной поддержкой в области готовых схем-решений подключения представленных компанией Analog Devices интерфейсов к процессорам, производимым ей же, что обеспечит простоту в подключении в нашем случае.  Компания Analog Devices предлагает интерфейсы RS-232 и RS-485, из которых выбор пал в пользу второго, так как он обеспечивает более высокие скорости передачи данных и улучшенную надежность.

Наиболее типичная область применения приемопередатчиков RS-485 - это связь между программируемыми логическими контроллерами в промышленных условиях. Среди других типичных примеров применения - объединение кассовых терминалов в крупных магазинах или удаленные измерительные блоки. Компания Analog Devices предлагает большой выбор стандартных приёмопередатчиков RS-485/RS-422.

Сравнение параметров интерфейсов фирмы Аnalog Devices представлено в таблице 4.3.

 

Таблица 4.3 – Сравнительная характеристика RS-485

Название	Напряжение питания, В	Напряжение изоляции, кВ	esd-защита, кВ	Скорость передачи данных	Полный/ полудуплекс	Количество узлов на шине
ADM2682E	+3,3; +5	5	15	16 Мбит/с	полный, полу	256
ADM2687E	+3,3; +5	5	15	500 Кбит/с	полный, полу	256
ADM2582E	+3,3; +5	2,5	15	16 Мбит/с	полный, полу	256
ADM2587E	+3,3; +5	2,5	15	500 Кбит/с	полный, полу	256

В нашей системе будет использоваться ADM2582E, так как он нам подходит по всем требуемым параметрам (главным образом по скорости передачи).

 

Структурная схема AD2582Е приведена на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3 – Структурная схема AD2582Е

 

Условное графическое изображение и назначение контактов представлены в Приложении В.

 

4.4 Устройства ввода/вывода

 

В качестве устройства ввода используется простая матричная клавиатура, т.к. кнопок для управления частотой много не потребуется.

Типичная схема подключения матричной клавиатуры к микроконтроллеру приведена на рисунке 4.4.

Рисунок 4.4 – Схема подключения матричной клавиатуры к микроконтроллеру

 

В качестве устройства вывода используется символьный дисплей WH0802A компании Winstar, выполненный на основе контроллера HD44780. Дисплеи на основе данного контроллера характеризуются возможностью подключения по четырехбитной шине с использованием только 4-х выводов хост-контроллера для прередачи данных. При этом, кроме 4-х выводов данных нужно будет подключить ещё сигнал E и RS. Вывод RW нужен для того, чтобы контроллер дисплея мог определить, записываем или считываем мы с него данные. Если на нём 0 – значит запись, а 1 – чтение. Поскольку читать какие-либо данные из дисплея не придется, его соединяют с землёй.

Структурная схема дисплея на основе HD44780 приведена на рисунке 4.5.

Рисунок 4.5 – Структурная схема дисплея на основе HD44780

 

Назначение контактов дисплея представлено в Приложении Г.

 

4.5 Усилитель мощности

 

В системе будет использоваться узкополосный усилитель мощности, так как частотный диапазон удовлетворяет условию . Для активного элемента выбран граничный режим работы с углом отсечки θ = 900 исходя из рекомендуемых для ОФМ режимов работы [3]. Усиление мощности будет происходить в трех однотактных каскадах, построенных по схеме с общим эмиттером. Схема оконечного каскада, для которого будет проводиться расчет, приведена на рисунке 4.6.

Рисунок 4.6 – Оконечный каскад усилителя мощности

На приведенной схеме присутствует параллельная цепь автоматического смещения, с помощью неё легче обеспечивается развязка переменного и постоянного токов. Также данном случае применяется параллельная схема питания активного элемента, для которой характерно использование её совместно с фильтровыми и резонансными нагрузочными колебательными системами. К тому же в системе усиления для согласования каскадов по входному сопротивлению дополнительно применяются индуктивные и емкостные элементы, являющиеся также фильтровыми системами.

 

4.6 Выходная колебательная система

 

ВКС обеспечивает заданный уровень побочных излучений и является согласующим звеном с выходным сопротивлением 10 Ом. Однако для получения требуемого по заданию сопротивления на выходе, существует необходимость определения количества звеньев ВКС. Принято решение применить нечетное количество звеньев для создания инвертирующей ВКС.

В данной главе будет оценена минимальная требуемая добротность контуров, а также проверен такой параметр как уровень побочных излучений (-40 дБ). Уровень побочных излучений показывает: во сколько раз необходимо подавить вторую гармонику тока для работы только на первой. Расчет в этом случае будет сводиться лишь к отношению коэффициентов Берга, так как постоянные составляющие сокращаются при подстановке.

Для граничного режима работы и угла отсечки θ = 900 коэффициенты Берга для первой и второй гармоник равны:

,

(для одного звена).

Таким образом, используя 3 звена, можно с большим запасом обеспечить требуемый уровень побочных излучений.

Минимальная добротность:

 Значения частот в формуле  приведены в МГц. Таким образом для дальнейших расчетов возьмем значение добротности Q = 10. Остальные параметры элементов ВКС найдем после проведения расчетов оконечного тракта усилителя мощности. 
5 Техническое описание передатчика

 

Приведем параметры, требованиям которых должна удовлетворять стационарная радиоэлектронная аппаратура [4].

1) Прочность при синусоидальных  вибрациях:
частота, Гц	20
линейное ускорение, м/с2	19,6
время выдержки, ч, не менее	0,5
2) Обнаружение резонансов в конструкции:
диапазон частот, Гц	10..30
амплитуда, мм	0,5..0,8
время выдержки, мин, не менее	0,4
3) Воздействие повышенной влажности:
влажность, %	80
температура, К	298
время выдержки, ч	48
4) Воздействие пониженной температуры:
температура предельная, К	233
температура рабочая, К	278
время выдержки, ч	2..6
5) Воздействие повышенной температуры:
температура предельная, К	328
температура рабочая, К	313
время выдержки, ч	2..6
6) Воздействие пониженного атм. давления:
температура, К	263
давление, кПа	61
время выдержки, ч	2..6
7) Прочность при транспортировании:
длительность ударного ускорения, мс	5..10
частота, мин-1	40..80
максимальное линейное ускорение, м/с2	49..245
суммарное число ударов, не менее	13000
8) Воздействие соляного (морского) тумана:
температура, К	300
дисперсность, мкм	1..10
водность, г/м3	2..3
время выдержки, ч	24

 

 

 

6 Электрический  расчет оконечного каскада усилителя  мощности

 

Схема оконечного каскада усилителя мощности приведена на рисунке 4.6. При расчете используется методика, приведенная в [3, стр. 72].

Осуществим выбор транзистора, руководствуясь при этом такими параметрами как выходная мощность и частотный диапазон. Таким образом, был выбран биполярный транзистор КТ913Б [5, стр.704].

Подробный ход расчета представлен в Приложении Д. В данной главе приведены готовые результаты по пунктам применяемой методики.

Напряжение питания транзистора равно Ек = 28 В. Остальные параметры приведем по пунктам:

1. коэффициент использования коллекторного напряжения в граничном режиме:

.

2. Амплитуда напряжения на коллекторе:

.

Предельный эксплуатационный параметр Екдоп в 60 В соблюдается:

.

3. Амплитуда первой гармоники тока:

.

4. Постоянная составляющая коллекторного тока:

.

5. Потребляемая мощность:

.

 

6. Коэффициент полезного действия:

.

7. Сопротивление нагрузки:

.

8. Амплитуда тока возбуждения (базовый ток первой гармоники):

.

9. Напряжение на входе и напряжение смещения:

.

В граничном режиме напряжение смещение равно напряжению отсечки. В нашем случае примем его равным Eсм = E’ = 0,6 В, что делает возможным определить сопротивление R14:

.

10. Мощность, рассеиваемая на коллекторе:

.

Далее проводится вычисление параметров для согласующих индуктивных и емкостных элементов. В виду того, что усилительные каскады схожи по своему строению, положим, что выходное сопротивление второго каскада усиления равно сопротивлению нагрузки, рассчитанному в пп.7 для третьего каскада. Для дальнейших расчетов используем методику, приведенную в [6, стр.94]. Подробный расчет приведен в Приложении Е. В данной главе приведены лишь рассчитанные значения параметров. Также для стандартизации полученных значений параметры приводятся к стандартному ряду Е24. Данные по рассчитанным и приведенным параметрам сводятся в таблицу 6.1.

 

Таблица 6.1

Элемент	Расчетное значение	Значение согласно ряду Е24
С23	4,4 пФ	4,7 пФ
С24	13,355 пФ	15 пФ
L8	55,3 нГн	0,056 мкГн
L9	0,578 мкГн	0,62 мкГн
L10	16,599 мкГн	18 мкГн
R14	12,766 Ом	13 Ом
C26	7,799 пФ	8,2 пФ
C27	93,75 нФ	0,1 мкФ
C28	584,34 пФ	620 пФ
L11	10,565 мкГн	11 мкГн
C29	584,34 пФ	620 пФ

 

Далее производится расчет ВКС, который сведен к поиску недостающих параметров емкостных и индуктивных элементов. Подробный расчет приведен в Приложении Ж, в данной главе приведены лишь итоговые результаты. Аналогично с расчитанными значениями каскада усиления, полученные результаты также приводятся к стандартному ряду Е24. На основе проведенного расчета и приведения данных строится таблица 6.2.

На рисунке 6.1 обозначены переменные, применяемые в расчете, а также на рисунке 6.2 изображены рассчитываемые элементы ВКС.

Рисунок 6.1 

Рисунок 6.2

Таблица 6.2

элемент	расчетное значение	значение согласно ряду Е24
L12	8,967 нГн	9,1 нГн
C30	79,61 пФ	82 пФ
L13	1,99 нГн	2,2 нГн
L14	6,1544 нГн	6,2 нГн
C31	440,842 пФ	470 пФ
C32	478,232 пФ	510 пФ
C33	117 пФ	120 пФ

 

 

Заключение

 

В выполненном курсовом проекте был разработан цифровой передатчик низовой радисвязи, удовлетворяющий требованиям технического задания согласно варианту №690.

В основу работы спроектированного передатчика заложен принцип прямого цифрового синтеза, который в данном случае реализовывается с использованием современных элементов зарубежного производства. Развитие предлагаемой компаниями-разработчиками элементной базы для построения радиопередающих систем создает тенденцию к повышению простоты и эффективности проектирования радиопередатчиков под самые разные нужды. Возрастает и информационная поддержка разработчиков компаниями-производителями. Так, например, к используемой в данном курсовом проекте микросхеме, осуществляющей квадратурную модуляцию и синтез частоты, компанией Analog Device предлагается на богатый выбор применить одну из готовых и описанных схем-решений управления упомянутым синтезатором. Это значительно упростило проектирование.

Важно отметить, что помимо цифровых устройств, пристальное внимание в проделанной работе было уделено также и аналоговой схемотехнике, а именно были рассчитаны оконечный каскад усилителя мощности и выходная колебательная система. Полученные данные представлены в таблицах, а в спецификации к принципиальной схеме приведены рекомендованные аналоги рассчитанных элементов.