Устройство приема радиосигнала
Содержание
Стр.
Приложение А. Устройство приема радиосигнала. Схема электрическая принципиальная
Приложение Б. Устройство приема радиосигнала. Перечень элементов
Расчёт чувствительности приёмника
Исходные данные:
Структурная схема ВЧ тракта приёмника представлена на рис.1.
Параметры узлов:
ТА=220 К – шумовая температура антенны;
RА=75 Ом – сопротивление антенны;
Lкаб.=3 дБ – потери в кабеле;
LВУ=1 дБ – потери во входном устройстве;
КP УРЧ=12 дБ – коэффициент передачи мощности УРЧ;
КШ УРЧ=2 дБ – коэффициент мощности УРЧ;
КP ПРЧ=4 дБ – коэффициент передачи мощности ПРЧ;
КШ ПРЧ=5 дБ – коэффициент мощности ПРЧ;
LФ=2 дБ – потери в ФСИ;
FФ=270 кГц – полоса пропускания ФСИ по уровню 3 дБ;
КШ УПЧ=10 дБ – коэффициент шума УПЧ;
q0=9 дБ – требуемое отношение с/ш на входе детектора;
Определить:
- Шумовую температуру приёмника ТШ ПРМ;
- Коэффициент шума приёмника КШ ПРМ;
- Чувствительность приёмника в единицах мощности;
- Чувствительность приёмника в дБ;
- Чувствительность приёмника в единицах напряжения мкВ;
- Дать оценку структуры ПРМ для возможного снижения шумов и улучшения чувствительности;
- Предложить способы повышения чувствительности приёмника, подтвердив эти предложения соответствующими расчётами.
1. Переводим исходные данные, заданные в дБ в разы с помощью известного соотношения:
2. Определим согласно выражению:
КШ ПАС. ЧП=L=1/КР
значения коэффициентов передачи и коэффициента шума пассивных узлов: кабель, ВУ и ФСИ:
3. Вычисляем согласно формуле:
значения шумовой температуры каждого каскада приемника:
4. Основываясь на формуле:
рассчитываем шумовую температуру приемника в целом, при этом фиксируем удельный вклад каждого каскада в шумовую температуру:
5. Находим согласно формуле:
коэффициент шума приемника:
6. Определим суммарную температуру приемника и антенны:
7. Вычисляем суммарную шумовую мощность на входе приемника, полагая, что
8. Рассчитываем искомое значение чувствительности приемника:
Вычисляем значение чувствительности в дБ относительно 1 мВт:
и в единицах напряжения:
Анализ полученных результатов
– Сравнение значений шумовой температуры Тпр и ТА: Тпр=1249 К и ТА=220 К позволяет утверждать, что Тпр >> ТА => при уменьшении шумов приемника можно значительно улучшить его чувствительность. Снижение шумов целесообразно;
– Сравнение значения шумовой температуры приемника Тпр=1249 К и УРЧ ТУРЧ=171,4 К показывает принципиальную возможность снижения шумов, так как минимальным, предельным значением Тпр является ТУРЧ. Из анализа выражения п. 1.4. видно, что основной вклад в Тпр вносят шумы УРЧ. Увеличим коэффициент передачи УРЧ.
Допустим:
КP УРЧ=24 дБ или в 251,2 раз
С учётом этого пересчитаем значение шумовой температуры приёмника в целом:
Шумовая температура снизилась с 1249 К до 897,6 К.
– Дальнейшее уменьшение шумовой температуры возможно. Можно понизить уровень шумов УРЧ до 0,9 дБ (дальнейшее уменьшение повлечёт за собой сильное усложнение и подорожание УРЧ):
С учётом пересчета шумовой температуры приёмника пересчитаем п.п. 5-8:
5. Находим согласно формуле:
коэффициент шума приемника:
6. Определим суммарную температуру приемника и антенны:
7. Вычисляем суммарную шумовую мощность на входе приемника, полагая, что
8. Рассчитываем искомое значение чувствительности приемника:
Вычисляем значение чувствительности в дБ относительно 1 мВт:
и в единицах напряжения:
Расчёт влияния помех на приём
- Исходные данные:
На входе приемника действуют:
сигнал: fС = 9,3 МГц, UСА = 150 мкВ;
помеха: fП1 = 11,7 МГц, UП1А = 110 мВ;
fП2 = 9,28 МГц, UП2А = 110 мВ;
fП3 = 4,11 МГц, UП3А = 70 мВ.
ВУ: применен двухконтурный фильтр;
Qкэ = 60 – эквивалентная добротность контура;
К0 ВУ = 0,4 – резонансный коэффициент передачи ВУ.
УРЧ: Qкэ = 60 – эквивалентная добротность контура;
К0 УРЧ = 5 – резонансный коэффициент передачи УРЧ.
ПрЧ: Построен по кольцевой схеме;
fПрЧ = fГ - fС – использована верхняя настройка;
fПЧ = 1,2 МГц.
ФСИ: ∆Fф = 30 кГц – полоса пропускания;
Sск = 8 дБ/кГц – крутизна скатов;
σПП = 3 дБ – затухание на границах полосы пропускания.
Требуется:
- Определить частоту гетеродина. Рассчитать частоты дополнительных каналов приема при . Показать расположение каналов приема на частотной оси.
- Определить степень опасности каждой из помех с точки зрения возможности ее прохождения по одному из каналов приема.
- Рассчитать ослабление опасных помех в отдельных каскадах и ВЧ тракте в целом.
- Для опасных помех определить отношение сигнал-помеха на входе детектора.
- Проверить возможность нелинейного взаимодействия каждой из помех с сигналом и другими помехами в УРЧ и ПРЧ.
- Рассчитать и построить характеристики избирательности и определить значения полос пропускания ВУ, УРЧ и преселектора в целом.
1. Рассчитываем частоту гетеродина
fГ = fС + fПЧ = 9,3 + 1,2 = 10,5 МГц.
2. По формуле
определяем частоты каналов (fКП) приема при m,n ≤ 2, fГ = 10,5 МГц, fПЧ = 1,2 МГц. Результаты расчётов сводим в таблицу.
Таблица 1 – Каналы приёма
m |
n |
fКП, МГц |
Примечание | |
0 |
1 |
1,2 |
Канал на ПЧ |
fП=fПЧ |
0 |
2 |
0,6 |
2·fП=fПЧ | |
(+)1 |
1 |
11,7 |
Зеркальный канал |
fГ-fС=fПЧ |
(-)1 |
1 |
9,3 |
Основной канал |
fГ-fП=fПЧ |
(+)1 |
2 |
5,85 |
2·fП- fГ=fПЧ | |
(-)1 |
2 |
4,65 |
fГ-2·fП=fПЧ | |
(+)2 |
1 |
22,2 |
fП-2·fГ=fПЧ | |
(-)2 |
1 |
19,8 |
2·fГ-fП=fПЧ | |
(+)2 |
2 |
11,1 |
2·fП-2·fГ=fПЧ | |
(-)2 |
2 |
9,9 |
2·fГ-2·fП=fПЧ | |
Убеждаемся, что один из каналов приема соответствует частоте сигнала (9,3 МГц). Частота зеркального канала fЗК = 11,7 МГц, канал на промежуточной частоте fПЧ = 1,2 МГц.
Строим диаграмму (рис.2), иллюстрирующую расположение fКП на частотной оси. Каждый канал приема условно показываем в виде “дельта - функции”. На самом деле каналы имеют конечную полосу пропускания, зависящую от ∆FФ. Чем выше порядок комбинационного преобразования (m+n), тем, в общем случае, меньше интенсивность дополнительного канала приема, что на диаграмме изображаем приближенно высотой “дельта - импульса”.
3. Сравниваем значения частот помех на входе приемника fП1, fП2 , fП3 с частотами дополнительных каналов приема.
Частота fП2 =9,28 МГц близка к частоте основного канала, поэтому вторая помеха возможно окажется опасной из-за неидеальности АЧХ ФСИ (помеха по соседнему каналу).
Частота fП1 = 11,7 МГц совпадает с частотой зеркального канала приема.
Убеждаемся, что помеха с частотой fП3 = 4,11 МГц не попадает ни в один из каналов приема. Проверка опасности третей помехи с точки зрения многосигнальной избирательности будет приведена ниже.
4. Определяем ослабление 2-ой помехи (с частотой fП2 = 9,28 МГц) в отдельных каскадах ВЧ тракта приемника.
Отстройка помехи от частоты сигнала составляет 20 кГц, что сопоставимо с полосой пропускания ФСИ, следовательно, помеха находится в одном из соседних каналов и через ПРЧ пройдет с тем же коэффициентом, что и сигнал:
В соответствии с формулой:
В соответствии с:
Полоса пропускания составляет:
т.е. помеха fП2 попадает в полосу пропускания ВУ и УРЧ.
Считаем σВУ2= σУРЧ2 = 0. Этот вывод подтверждают и построенные ниже характеристики избирательности ВУ, УРЧ и преселектора.
5. Для второй помехи из формулы:
определяем отношение сигнал/помеха на входе детектора:
6. Вторая помеха близка к резонансной частоте ВУ и УРЧ, поэтому γВУ (fП2) = γУРЧ (fП2) =1 и значения напряжения второй помехи на входе УРЧ и ПРЧ составляют:
Напряжение 2-ой помехи на входе УРЧ и ПРЧ значительно превышает 10 мВ. Поэтому при проектировании приемника с учетом требований многосигнальной избирательности следует рассмотреть возможности ее нелинейного взаимодействия с fП1 , fП3 и fС.
7. Рассматриваем ослабление первой помехи во входном устройстве. Для этого, согласно формуле:
рассчитываем значение обобщенной расстройки, соответствующей fП1=11,7 МГц
Определяем с использованием выражения
относительный коэффициент передачи ВУ на частоте fП1
и ослабление помехи:
Рассчитываем ослабление 1-ой помехи в УРЧ. Так как значения добротностей контуров УРЧ и ВУ одинаковы (Q = 60), то при расчете ослабления помехи в УРЧ принимаем ξ1 = 27,8.
Определяем относительный коэффициент передачи УРЧ на частоте fП1
Ослабление 1-ой помехи в преселекторе:
По таблице для кольцевой схемы определяем дополнительное ослабление в ПРЧ ( dПРЧ ( fП1 ) =1, при m = n = 1) , что соответствует:
Таким образом, использование кольцевой схемы не вносит дополнительного ослабления в ПРЧ для помехи fП1=11,7 МГц
Ослабление 1-ой помехи в ФСИ равно нулю, так как после преобразования частота помехи (при m =1, n = 1):
fП1-fГ=fПЧ
точно совпадает с fПЧ, т.е. с центральной частотой настройки ФСИ. Таким образом σФ1 = 0 дБ.
8. Для 1-ой помехи по формуле :
определяем отношение сигнал-помеха на входе детектора:
Анализ полученного результата показывает, что qП1 принимает допустимые значения.
9. Определяем по
значение напряжения 1-ой помехи на входах УРЧ и ПРЧ:
Напряжение 1-ой помехи на входе УРЧ И ПРЧ не превышает 10 мВ, что позволяет не принимать во внимание нелинейное взаимодействие 1-ой помехи с сигналом в этих каскадах.
10. Помеха с частотой fП3 = 4,11 МГц не попадает ни в один из дополнительных каналов приема и ее уровень после ФСИ будет пренебрежимо мал. Таким образом, можно принять qПЗ → ∞. Это, однако, не означает, что данная помеха не может представлять опасность для радиоприема. Проверим, не является ли напряжение помехи на входах УРЧ или ПРЧ достаточным для возникновения в этих каскадах нелинейных эффектов, приводящих к блокированию, перекрестной и интермодуляции.
Определяем по:
значения относительной расстройки и относительных коэффициентов передачи, соответствующей 3-й помехе:
Определяем ослабление 3-й помехи в ВУ, УРЧ и преселекторе:
Далее находим значения напряжения 3-й помехи на входах УРЧ и ПРЧ соответственно:
Эти напряжения существенно ниже 10 мВ и не могут вызвать нелинейных эффектов.
11. Строим характеристику избирательности ВУ, УРЧ и преселектора в целом. Построение проводим с использованием программы Advanced Grapher.
Убеждаемся, что рассчитанные значения ослаблений для каждой из трех помех совпадают со значениями функций рис.3 при f = 11,7; 9,28 и 4,11 МГц соответственно.
Рисунок 3 – Характеристика избирательности ВУ, УРЧ и преселектора
12. По графикам определяем значения полос пропускания
∆FВУ =(9,44*106-9,16*106)=280 кГц,
∆FУРЧ =(9,38*106-9,22*106)=160 кГц,
∆FПРЕС =(9,38*106-9,22*106)=160 кГц.
Анализ полученных результатов
1. Помеха с частотой fП2 = 9,28 МГц попадает в полосу пропускания преселектора ( ), следовательно, в преселекторе не ослабляется.
Основное ослабление данной помехи происходит в ФСИ и достигает 43 дБ. Однако этого недостаточно. На входе детектора дБ, что означает, что ФСИ не удовлетворяет требованиям. На выходе приёмника будет действовать как сигнал, так и усиленная вторая помеха..
Напряжение 2-й помехи на входе УРЧ достигает 44 мВ, а на входе ПРЧ – 220 мВ. Столь большая помеха может вызвать нежелательные нелинейные эффекты в УРЧ и ПРЧ. Поэтому проектирование приемника проводится с учетом требований по многосигнальной избирательности.
2. Помеха с частотой fП1 = 11,7 МГц попадает в зеркальный канал приема с m=n=1, при которых fГ-fС=fПЧ. Ослабление в преселекторе составляет: σПРЕС 1 = 78,1 дБ. Применение кольцевой схемы в ПрЧ не дает дополнительного подавления помехи σПРЧ 1 = 0 дБ, но, несмотря на это, на входе детектора имеем приемлемое значение отношения сигнал/помеха qП1 = 20,8 дБ.
3. Помеха с частотой fП3 = 4,11 МГц не попадает ни в один из дополнительных каналов приема и ее уровень после ФСИ будет пренебрежимо мал. На входах УРЧ и ПРЧ уровень этой помехи недостаточен для нелинейного взаимодействия с и . Таким образом, 3-я помеха опасности радиоприему не представляет.
Поскольку, исходя из п. 4. – 6. видно, что ФСИ не достаточно сильно ослабляет вторую помеху, то принимаем, что : ∆FФ = 25 кГц и, SСК = 9 дБ/кГц и пересчитываем пункты 4., 5., 6.:
4. Определяем ослабление 2-ой помехи (с частотой fП2 = 9,28 МГц) в отдельных каскадах ВЧ тракта приемника.
Отстройка помехи от частоты сигнала составляет 20 кГц, что сопоставимо с полосой пропускания ФСИ, следовательно помеха находиться в одном из соседних каналов и через ПРЧ пройдет с тем же коэффициентом, что и сигнал:
Основное ослабление первой помехи должен обеспечить ФСИ.
В соответствии с формулой:
В соответствии с:
Далее можно сосчитать σву и σУРЧ по второй помехи:
Полоса пропускания составляет:
Т. е. помеха с частотой 9,28 МГц входит в эту полосу спокойно. Считаем, что:
Этот вывод подтверждает и построенные выше характеристики избирательности ВУ, УРЧ и преселектора в целом.
5. Для второй помехи из формулы:
определяем отношение сигнал/помеха на входе детектора:
На входе детектора qП2 =13,2 дБ, что можно считать вполне удовлетворительным.
Библиографический список
1. Методические указания к курсовой работе
2. Прием и обработка сигналов/К.Е. Румянцев. – М.: ACADEMA,2004.
3. Радиоприемные устройства/О.В. Головин. – М.: Горячая линия – Телеком, 2002.
4. Радиоприемные устройства/ Под ред. Н.М.Фомин. – М.: Радио и связь, 1996.
5. Резисторы, конденсаторы, провода, припои, флюсы. Справочное пособие./ А.И. Аксенов, А.В. Нефедов. – М.:СОЛОН – Р, 2000.
6. Руководство по курсовому
проектированию радиоприемных