Работа ЧМ приемника

Введение

Радиоприемные устройства входят в состав радиотехнических систем связи, т.е. систем передачи информации с помощью электромагнитных волн

Радиоприемное устройство состоит из приемной антенны, радиоприемника и оконечного устройства предназначенного для воспроизведения  сигналов. Радиоприемники можно классифицировать по ряду признаков, из которых основными  являются: тип схемы, вид принимаемых  сигналов, назначение приемника, диапазон частот, вид активных элементов, используемых в приемнике, тип конструкции  приемника.

По типу схем различают приемники детекторные, прямого усиления (без регенерации  и с регенерацией), сверхрегенеративные  и супергетеродинные приемники, обладающие существенными преимуществами перед приемниками других типов  и широко применяемые на всех диапазонах приемников.

Принимаемые сигналы служат для передачи сообщений  или измерения положения и  параметров относительного движения объектов. Сигналы могут передавать сообщения  от одного источника или нескольких. Для передачи информации используется изменение одного из параметров сигнала  по закону изменения информационного  сигнала. Используются: непрерывные  колебания с изменяемой (модулированной) амплитудой, частотой или фазой; колебания, скачкообразно изменяемые (манипулированные) по амплитуде, частоте, или разности фаз; колебания с изменяемой амплитудой, частотой или фазой, которые обусловлены  видеоимпульсами с амплитудной, широтной, временной, или дельта-модуляцией, а также кодовыми группами видеоимпульсов.

Приемники конструктивно выполняются из отдельных (навесных) активных и пассивных  элементов с печатным или объемным монтажом или из готовых интегральных микросхем, представляющих собой каскады, узлы приемников и даже целые приемники.

Расчет структурной схемы

В данной работе задан диапазон автомобильного приемника УКВ (3-30000МГц) Данный устройство должно быть спроектирован из нескольких блоков, которые в результате захватят весь диапазон и оперативно будут переключаться между собой.

Рассчитаем  и спроектируем приемник с рабочим  диапазоном   76-108 МГц

Рис.1 Структурная  схема ЧМ приемника.

Приемник  состоит из следующих узлов:

ВЦ –  входная цепь

УРЧ –  усилитель радиочастоты

См. –  смеситель

Гет. –  гетеродин

УПЧ –  усилитель промежуточной частоты

ЧД –  частотный детектор

АПЧ –  автоматическая подстройка частоты

ОУ –  оконечный усилитель

 

Расчет полосы пропускания линейного  тракта приемника

Расчет  полосы пропускания

Полоса  пропускания определяется по формуле:

П=П_с+П_з+2∆f_д;

где П_с – полоса принимаемого сигнала,

П_з – запас полосы на нестабильность частот передатчика и приемника, а так же неточную настройку приемника,

∆f_д – доплеровское смещение частоты;

Полоса  сигнала при частотной модуляции

П_с=2(∆f_{max ч}+ F_max) ,

где  ∆f_{max ч} – максимальная девиация частоты сигнала,

        F_max – верхняя модулирующая частота.

П_с=2(50∙10³+10∙10³)=120 кГц.

Учтем нестабильность сигнала и гетеродина

П_з=2√((b_сf_с)²+(b_гf_г)²);

где b_с, b_г – относительные нестабильности сигнала и гетеродина,

  f_г – частота гетеродина.

Для обеспечения  избирательности по зеркальному  каналу выбрали промежуточную частоту:

f_п=10,7 МГц,

f_г=f_с- f_п,

f_c – средняя частота сигнала (f_c=92∙10⁶ Гц)

f_г=92∙10⁶-10,7∙10⁶=81,3∙10⁶ Гц;

П_з=2√((10^-5∙92∙10⁶)²+(10^-5∙81,3∙10⁶)²)=2455Гц;

Доплеровское  смещение частоты сигнала равно:

Примем  скорость движения автомобиля 16,7 м/с (60км/ч), тогда получаем

Применим  в приемнике автоподстройку частоты  с коэффициентом 

Полоса  пропускания с учетом АПЧ:

 кГц

Полоса  пропускания преселектора:

 кГц

 

Расчет чувствительности.

Вычислим допустимый коэффициент  шума:

где Е_а=4,8·10^-6-ЭДС сигнала в антенне(необходимо учесть длину антенны);

γ_вх- отношение с/ш на входе приемника;

П_ш=1,1П – шумовая полоса линейного тракта;

Т₀=290К – стандартная температура приемника;

к=1,38Дж/град – постоянная Больцмана;

R_а =150 Ом – внутреннее сопротивление приемной антенны(учтем длину);

где γ_вых=26дБ=20раз – отношение с/ш на выходе приемника;

В_ЧД и В_ЧД - выигрыши в отношение с/ш, даваемые системой ограничителей частотный детектор и фильтром компенсации предыскажений, равные

 где 

 где 

 

Расчет избирательности  по зеркальному и прямому каналу

 

Избирательность преселектора супергетеродинного приемника  обеспечивает ослабление мешающих сигналов по зеркальному и прямому каналам  приема. Произведём расчёт количества контуров преселлектора:

Эквивалентная добротность контура  ВЦ:

Qэ = Qк/q = 200/1,3 , Qэ =153,8

где Q_к = 200 – конструктивная добротность;

q = 1,3 –коэффициент шунтирования контуров полевыми транзисторами.

Эквивалентное затухание контура  входной цепи равно:

dэ = 1/Qэ = 1/153,8 dэ = 0,0065

В качестве первого контура будет использоваться одноконтурный полосовой фильтр настроенный на среднюю частоту  диапазона:

f0 = (fmax + fmin)/2 = (108 +76)106/2, f0 = 92 МГц.

На такой частоте добротность  контура ВЦ равна:

Qэвц = f0/(fmax – fmin)= 92.106/(108-76)106, Qэвц = 2,875.

Обобщенная расстройка зеркального  канала одноконтурной ВЦ

Избирательность по зеркальному каналу одноконтурной ВЦ

Основную  избирательность будет осуществлять двухконтурный полосовой фильтр, находящийся в нагрузке УРЧ. Обобщенная расстройка по зеркальному каналу второго контура:

где Q_эурч = Q_э = 153,8 – эквивалентная добротность контура УРЧ

Избирательность по зеркальному каналу второго контура(учтем что полосовой фильтр двухконтурный):

Суммарное ослабление по зеркальному  каналу преселектора:

Seзк = Seзквц + Seзкурч = 8 + 59,67 , Seзк = 67,67 Дб.

Избирательность по прямому каналу так же будет  рассчитываться в наихудшей точке.

Обобщенная расстройка по прямому  каналу контура ВЦ

 

Избирательность по прямому каналу контура ВЦ

Обобщенная расстройка по прямому  каналу второго контура:

Избирательность по прямому каналу второго контура:

Суммарное ослабление по прямому каналу преселектора:

Seпк = Seпквц + Seпкурч = 60.6 +20 Seпк = 80,6 дБ.

Коэффициент частотных искажений  контуров преселектора:

В итоге суммарно получаем на преселектор  =1.612 дБ

 

 

Расчет избирательности по соседнему  каналу

 

Основным  назначением УПЧ являются фильтрация полезного сигнала при заданных избирательных свойствах системы  и обеспечение необходимого усиления для создания условий для нормальной работы детектора. При высоких требованиях  к избирательности и прямоугольности  АЧХ применяют двухконтурные  полосовые фильтры (ДПФ). УПЧ с  ДПФ имеют хорошую прямоугольность  АЧХ и большой коэффициент  усиления.

Контура, осуществляющие заданную избирательность  по соседнему каналу приема S_eск = 55 дБ, должны обеспечивать полосу пропускания П = 120 КГц и частотные искажения σ_упч = 3 дБ (σ_упч ≤ 4 – 8 дБ).

Определим необходимое эквивалентное затухание  контуров для того, чтобы обеспечить необходимую избирательность и  полосу пропускания по формуле 2.73 из [4]. Для этого предварительно зададимся  количеством ДПФ, равным 5:

где N = 5 – количество ДПФ.

Проверим, удовлетворяет ли число ДПФ равное 5 избирательности по соседнему каналу:

где Δf_ск = 250 КГц – расстройка соседнего канала

Полученное  значение S_eск > 55 дБ, значит число ДПФ обеспечивает заданную избирательность по соседнему каналу.

Эквивалентная добротность ДПФ, необходимая для  получения полосы П = 120 кГц, равна:

 

 

 

Выбор и распределение усиления приемника

 

При приеме на антенну типа штырь, в диапазоне  УКВ коэффициент усиления ВЧ тракта:

где U_{вхтрдет} = 4 мВ –  амплитуда сигнала на входе;

Е_ар = 4 мкВ – реальная чувствительность приемника (по ТЗ).

Усиление  ВЧ тракта выбирают с запасом:

Квч= Квчmin.Кзап=707.1,5, Квч = 1060,

где К_зап = 1,5 – коэффициент запаса усиления (производственный запас).

Общее усиление ВЧ – тракта супергетеродинного приемника  с однократным преобразованием  частоты равно произведению коэффициентов  усиления отдельных каскадов:

Квч = Квц∙Курч∙Кпч∙Купч   ,

где К_вц, К_урч, К_пч, К_упч - коэффициент передачи ВЦ, УРЧ,  УПЧ.

Проведем  расчет количества усилительных каскадов необходимых нам для получения  требуемого усиления по напряжению.

Коэффициент усиления преселектора по напряжению:

Кпр = КвцКурч = 0,5∙10,2  , Кпр = 5,1     ,

где К_вц = 0,5 ;

Для предотвращения перегрузки ПЧ сильными помехами с  малой расстройкой принимают  К_пч ≈ 0,1К_упч.

n - каскадов УПЧ, включая преобразователь частоты, должны обеспечить усиление равное:

При расчете  коэффициента устойчивого усиления на промежуточной частоте К_оуст=17,2. Примем коэффициент усиления преобразователя частоты до К_пч = 0,4^.К_упч, это позволит снизить количество усилительных каскадов и получить требуемое усиление Квч.

Проведём  расчёт числа каскадов УПЧ:

Коэффициент усиления трёх каскадов УПЧ при этом равен:

0,4.Купч3 = 0,4.17,2.17,2, 0,4.Купч3 = 118,336.

 

 

Расчет входной цепи

приемник частотная модуляция  шум канал

Входная цепь с трансформаторной связью с  удлиненной антенной и автотрансформаторной связью с первым каскадом.

 

Рис.2 Схема  входной цепи.

 

Исходные  данные:

Антенна штыревая

Емкость антенны  пФ

 пФ

 пФ

Разброс емкости антенны 

Диапазон  частот

 МГц

 МГц

Коэффициент перекрытия

Коэффициент удлинения 

Входная проводимость УРЧ  См

Входная емкость УРЧ  пФ

Затухание ненагруженного контура 

Затухание нагруженного контура 

Добротность антенной цепи

Подстроечный  конденсатор (2) CTC 038-10RSM :

 пФ

 пФ

= до 50 В

Находим емкость схемы, не изменяющуюся при  перестройке:

 пФ

Определяем  индуктивность контура:

 мкГн

Определяем  число витков катушки по формуле 

Задаем  значения диаметра намотки  см и длины намотки см

 витка

Принимаем витков.

Определяем  индуктивность катушки связи:

 мкГн

Рассчитываем  число витков катушки связи.

Задаем  значения диаметра намотки  см и длины намотки см

 витка

Принимаем витков.

Частота настройки антенной цепи:

 МГц

Коэффициент связи между катушками:

 

Характеристическое  сопротивление контура:

 Ом

Определяем  проводимости ненагруженного и нагруженного контура:

 См

 См

Рассчитываем  коэффициент включения контура  во входную цепь УРЧ:

Находим значение коэффициента связи, при котором  затухание контура увеличится не более, чем на 25% , а коэффициент  передачи уменьшится не более, чем на 25%:

Определяем  значение коэффициента связи, допустимое по соображениям расстройки входного контура:

Выбираем  меньшее значение коэффициента связи 

Определяем  взаимную индуктивность между катушками:

 мкГн

Рассчитываем  емкость подстроечного конденсатора:

 пФ

Расчет  коэффициента передачи входной цепи.

 

 

Расчет усилителя радиочастоты

Выбираем  одноконтурный УРЧ на полевом  транзисторе с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа.

Рис.3 Схема  УРЧ

Исходные  данные.

Емкость нагрузки

Сопротивление нагрузки

 МГц

 МГц

Коэффициент перекрытия

Затухание ненагруженного контура 

Затухание нагруженного контура 

Подстроечный  конденсатор  CTC 038-10RSM

 пФ

 пФ

= до 50 В

Транзистор  КП307А:

 пФ

 пФ

 кОм

 мА/В

 В

 мА

 В

Коэффициент устойчивого усиления

Находим емкость схемы, не изменяющуюся при  перестройке:

 пФ

Определяем  индуктивность контура:

 мкГн

Определяем  число витков катушки по формуле 

.

Задаем  значения диаметра намотки  см и длины намотки см

 витка

Принимаем витков.

Характеристическое  сопротивление контура на минимальной  и максимальной частоте:

 Ом

 Ом

Определяем  коэффициент включения контура  со стороны транзистора, исходя из условия  получения максимально устойчивого  усиления.

Коэффициент шунтирования:

Определяем  коэффициент включения контура  со стороны транзистора, исходя из условия  получения оптимального согласования на минимальной частоте диапазона:

Выбираем  меньшее значение

Рассчитываем  коэффициент включения контура  во входную цепь следующего каскада:

Выбираем  значение

Рассчитываем  индуктивность катушки связи. Задаемся собственной частотой контура, образованного  катушкой связи и выходной емкостью транзистора  МГц

 мкГн

Рассчитываем  число витков катушки связи.

Задаем  значения диаметра намотки  см и длины намотки см

 витка

Принимаем витка.

Рассчитываем  коэффициент связи с контуром:

Рассчитываем  коэффициент усиления УРЧ на крайних  частотах диапазона:

Находим емкость подстроечного конденсатора:

 пФ

Расчет  элементов, обеспечивающих режим по постоянному току.

Сопротивление резистора  определяем по формуле:

 Ом

 

Напряжение  питания примем равным В

Рассчитываем  сопротивление фильтра:

 Ом

Выбираем  резисторы МЛТ-0,125 сопротивлением 120 Ом и 240 Ом.

Сопротивление в цепи затвора  кОм

Расчет  разделительных, фильтрующих и блокировочных  емкостей:

 нФ

Выбираем  пФ

 нФ

Выбираем  пФ

 пФ

Выбираем  пФ

 

Выбор схемы смесителя и гетеродина

Рис 4. Схема  преобразователя частоты.

Подробные параметры микросхемы К174ПС1 находятся в приложении А.

Рис.5 Схема  ИМС К174ПС1

 

Выбор схемы усилителя  промежуточной частоты

 

Рис 6. Схема  УПЧ.

Транзистор  КП303А:

Предельные  параметры полевых транзисторов КП303А:

Uси max 25В 

Uзс max 30В

Iс max 20м 

Iз max 5мА

Tсреды  -45..+85°C 

Pmax (T=+25°C) 200мВт

Pmax (T=+85°C) 100мВт

 

 

 

 

Выбор схемы ЧМ детектора

 

Выбираем  частотно-фазовый детектор с фазосдвигающим контуром и схемой совпадений на ИМС  К174УР3.

 

Рис 7. Схема  ЧМ детектора.

 

Микросхема  К174УРЗ предназначена для использования  в радиовещательных супергетеродинных  ЧМ приемниках. Эта микросхема содержит следующие узлы : усилитель-ограничитель. частотный детектор и предварительный  усилитель НЧ. Ее функциональная схема  на рис. 8 (1 - усилитель-ограничитель, 2 - частотный детектор, 3 - усилитель НЧ).

Рис 8 Функциональная схема микросхемы К174УР3

Таблица 2 Параметры  микросхемы К174УР3

 
 Выбор оконечного усилителя

Оконечный усилитель двухкаскадный. Первый каскад на транзисторе с ОЭ усиливает  сигнал по напряжению. Второй каскад двухтактный  бестрансформаторный усилитель  мощности на комплементарных транзисторах. Схема приведена на рисунке 9.

 

Рис.9 Схема оконечного усилителя.