Проектирование радиотракта частоты
Содержание
Введение
. Общая часть
.1 Супергетеродинный приемник
.2 Чувствительность приемника
.3 Избирательность радиоприемника
.4 Модуляция сигнала
.5 Образование зеркального канала приема и необходимость его
подавления
. Специальная часть
.1 Заданные параметры ВЧ тракта
.2 Требования
.3 Указания к решению
. Конструкторская часть
.1. Исходные данные
.2 Первый способ решения
.3 Второй способ решения
.4 Анализ полученных результатов
Заключение
Список использованных источников
Введение
Теория РПУ формируется под действием, с одной стороны, общих разделов
радиоэлектроники, с другой - прикладных отраслей, определяющих элементную базу
приемных устройств и тесно связанных с технологией производства
радиоэлектронной аппаратуры и современными средствами автоматизации
проектирования и производства. На теорию РПУ влияют:
. Разнородность задач, решаемых приемными устройствами. Можно
перечислить следующие области применения радиосистем, а которых используются
приемные устройства: радиосвязь, радиовещание, телевидение, наземные
радиорелейные линии, спутниковые радиорелейные линии, космическая связь,
радиолокация, радионавигация, радиоуправление, радиотелеметрия,
радиометеорология и др.
. Увеличение функциональной сложности современных приемных
устройств, интеграция ряда функций смежных устройств. Помимо традиционных задач
усиления, избирательности и преобразования по частоте сигнала в РПУ
производятся поиск и обнаружение сигнала, демодуляция, синхронизация по
несущей, поднесущей и тактовой частотам, слежение за задержкой, оптимальное
выделение сигнала из смеси с шумом или другими мешающими сигналами, адаптация к
неизвестному сигналу, управление активной антенной решеткой и т.п. В состав
современных РПУ, в том числе и вещательных, входят синтезаторы, устройства
цифрового управления и отображения информации, микропроцессоры.
. Широкое использование в РПУ больших интегральных микросхем
(БИС), являющихся сложными (крупноблочными) функционально законченными
изделиями с заранее заданными параметрами.
. Разнородность элементной базы.
. Использование технологии микроэлектроники при производстве части
узлов приемных устройств.
. Непрерывное обновление элементной базы. Уровень интеграции
изделий микроэлектроники в среднем за год возрастает вдвое. Средний срок
«жизни» ИС не превышает 10 лет.
. Внедрение цифровой обработки сигнала.
. Существенное углубление и систематизация теоретических знаний
практически по всем направлениям радиотехники.
. Многовариантность задачи проектирования (существует, как
правило, несколько внешне равноценных способов реализации сформулированных в
техническом задании условий).
. Повышение роли производства вычислительных методов при
проектировании приборов, механизация и автоматизация процессов проектирования и
производства.
1. Общая
часть
.1 Супергетеродинный приемник
Супергетеродинный радиоприёмник (супергетеродин) - один из типов
радиоприёмников, основанный на принципе преобразования принимаемого сигнала в
сигнал фиксированной промежуточной частоты (ПЧ) с последующим её усилением.
Основное преимущество супергетеродина перед радиоприемником прямого усиления в
том, что наиболее критичные для качества приема части приемного тракта
(узкополосный фильтр, усилитель ПЧ и демодулятор) не должны перестраиваться под
разные частоты, что позволяет выполнить их со значительно лучшими
характеристиками.
Рис. 1 Структурная схема супергетеродинного приемника.
Упрощенная структурная схема супергетеродина с однократным
преобразованием частоты показана на рисунке (рис.1). Радиосигнал из антенны
подается на вход усилителя высокой частоты (в упрощенном варианте он может и
отсутствовать), а затем на вход смесителя - специального элемента с двумя
входами и одним выходом, осуществляющего операцию преобразования сигнала по
частоте. На второй вход смесителя подается сигнал с локального маломощного
генератора высокой частоты - гетеродина. Колебательный контур гетеродина
перестраивается одновременно с входным контуром смесителя (и контурами
усилителя ВЧ) - обычно конденсатором переменной емкости (КПЕ), реже катушкой
переменной индуктивности (вариометром, ферровариометром). Таким образом, на
выходе смесителя образуются сигналы с частотой, равной сумме и разности частот
гетеродина и принимаемой радиостанции. Разностный сигнал постоянной
промежуточной частоты (ПЧ) выделяется с помощью полосового фильтра и
усиливается в усилителе ПЧ, после чего поступает на демодулятор,
восстанавливающий сигнал низкой (звуковой) частоты.
В современных приемниках в качестве гетеродина используется цифровой
синтезатор частот с кварцевой стабилизацией.
Преимущества:
· Высокая чувствительность
· Высокая избирательность
· Возможность принимать сигналы с модуляцией любого вида, в том
числе с амплитудной манипуляцией (радиотелеграф) и однополосной модуляцией.
Недостаток:
· Наиболее значительным недостатком является наличие так
называемого зеркального канала приёма - второй входной частоты, дающей такую же
разность с частотой гетеродина, что и рабочая частота.
.2 Чувствительность радиоприемника
Чувствительность
радиоприемника, способность радиоприёмник
<#"564078.files/image002.gif">
Рис.2
Все узлы приемной установки генерируют случайные флуктуации, называемые
шумами. Причины их возникновения разнообразны. Активные сопротивления
генерируют тепловой шум с нулевым средним значением мгновенного напряжения.
Средний квадрат напряжения теплового шума в радиодиапазоне рассчитывают по
формуле Найквиста
=4 k T R Δf где [3. Стр. 13]
=1,38 ·10 -23Дж/К - постоянная Больцмана,- температура, при которой
находится шумящее сопротивление, в градусах Кельвина,
Δf - полоса частот, Гц;
предполагается, что в полосе Δf спектральная плотность шума
постоянна.
При решении задачи будем полагать, что на стыках всех блоков обеспечено
согласование, т. е. сопротивление генератора равно сопротивлению нагрузки. При
этих условиях мощность шума, отдаваемая в нагрузку,
Ш =
= k T Δf(1), [2.
Стр. 25]
Спектральная плотность мощности шума
Ш =
= k T (4) (2), [1. Стр. 31]
Генерируемый шум имеет равномерную по оси частот спектральную плотность,
однако на выход приемника компоненты спектра, имеющие разные частоты, проходят
с разными коэффициентами передачи. В результате спектральная плотность шума на
выходе ВЧ тракта приемника имеет вид, повторяющий квадрат его резонансной
характеристики (рис. 3).
Рис.3
Полная мощность шума на выходе приемника определяется площадью подынтегральной
кривой. Для удобства расчетов сложную характеристику рис. 3 заменяют
прямоугольной с той же площадью. Полосу пропускания равновеликой прямоугольной
характеристики называют эффективной шумовой полосой
(3), [1.
Стр. 23]
где Δ(f) - нормированная резонансная характеристика ВЧ тракта.
Очевидно, что для прямоугольной резонансной характеристики ΔF Эф= Δ F.
Характеристика избирательности анализируемого приемника такова, что ФСИ
на выходе преобразователя частоты определяет значение ΔF Эф. Так как характеристика
избирательности этого фильтра близка к прямоугольной, при расчетах можно
принять
ΔF Эф≈ΔF Ф (4), [1. Cтр. 23]
На практике для описания шумовых свойств приемника и его узлов широко
используют коэффициент шума и шумовую температуру. Эти параметры характеризуют
любой линейный шумящий четырехполюсник.
Коэффициент шума (K Ш) определяют как отношение полной мощности шума в
нагрузке четырехполюсника к мощности шума в нагрузке при нешумящем
четырехполюснике, т. е. той доле шумовой мощности, которая создается шумящим
"по Найквисту" активным сопротивлением генератора (R Г), находящимся
при нормальной (комнатной) температуре T 0
(5), [3.Стр. 16]
Так как четырехполюсник является линейным, шумовые мощности можно
пересчитать к его входу. С учетом (1) и (3) перепишем (5) как
(6), [3, Cтр.
16]
Ш ЧП, входящая в выражения (5) и (6), образуется различными источниками
шума, в том числе и шумящими не "по Найквисту". Несмотря на это для
характеристики шумовых свойств четырехполюсника используют понятие шумовой
температуры четырехполюсника (T ЧП), которую определяют, приравнивая реальную
шумовую мощность P Ш ЧП к мощности теплового шума активного сопротивления,
находящегося при температуре T ЧП:
Ш ЧП = k T ЧПΔF ЭФ (7), [2. Cтр. 26]
(8), [4. Cтр.
43]
Обратите внимание, что T ЧП - есть условная величина, не равная той
температуре, при которой находится четырехполюсник.
Подставив (7) в (6), получим еще одно выражение для коэффициента шума любого
шумящего четырехполюсника
(9), [3. Cтр.
14]
где T ЧП и T 0 выражают в градусах по шкале Кельвина. Значение T 0
принимают равным 293 K (20 0 C). Для упрощения расчетов допустимо принять T 0
=300 K.
Из выражения (9) можно получить T ЧП, если известен K Ш:
ЧП=( КШ-1 ) ·T 0 (10), [4. Cтр.
42]
Коэффициент шума идеального нешумящего четырехполюсника равен единице. У
реального устройства всегда K Ш> 1. Во многих случаях значение K Ш задают в
децибелах (дБ)
приемник канал сигнал супергетеродинный
KШ (дБ) = 10 lg KШ (раз) (11), [3. Cтр. 16]
Наиболее распространенные высокочастотные транзисторы имеют KШ = 3 - 10
дБ. Современные технологии, однако, позволяют обеспечить значения KШ<1 дБ.
В приемной антенне наводятся флуктуационные напряжения из окружающего
пространства. Основными источниками внешних по отношению к приемнику шумов
являются космические и атмосферные шумы. Их интенсивность существенно зависит
от диапазона частот, а в случае остронаправленных антенн, и от ориентации
антенны. Мощность наведенного в антенне шума существенно отличается от мощности
теплового шума сопротивления антенны. P ША также характеризуют шумовой
температурой, аналогичной T ЧП:
(12) [4. Стр. 43]
Значения T А могут составлять от 20 - 30 K (на частотах выше 1 ГГц при
углах возвышения остронаправленных антенн более10 0 ) до 5000 -10000 K (в
диапазоне коротких волн).
Приемное устройство состоит из отдельных узлов - каскадно соединенных
четырехполюсников (см. рис. 1). При известных значениях T i (K Ш i) и
коэффициентах передачи мощности (K Pi ) каждого из блоков можно рассчитать
общую шумовую температуру и общий коэффициент шума приемника по следующим
выражениям:
(13),
[3. Cтр. 19]
(14),
[3. Стр. 19]
Коэффициент шума пассивного четырехполюсника (кабеля, входного
устройства, фильтра) однозначно определяется его затуханием
(15),
[3. Cтр. 18]
Из выражений (13) - (15) следуют важные выводы:
· Значения TОБЩ и KШ_ОБЩ каскадного соединения
четырехполюсников зависят в первую очередь от шумов первых каскадов.
· На входе желательно иметь каскад с минимально возможной
шумовой температурой (коэффициентом шума) и максимальным коэффициентом
передачи.
· Вклад шумов последующих каскадов тем меньше, чем выше
коэффициент передачи предшествующего тракта.
· Наличие на входе устройств с потерями приводит к резкому
возрастанию шумов, в первую очередь, из-за увеличения вклада шумов последующего
тракта.
В соответствии с рис. 1 первым каскадом является кабель, вторым - ВУ,
третьим - УРЧ, четвертым - ПрЧ, пятым - ФСИ, шестым - УПЧ.
Обратите внимание, что подставляемые в выражения (13) - (15) величины должны
быть предварительно переведены из децибел в разы.
Приведенных сведений достаточно для определения при заданных параметрах
ВЧ тракта шумовой температуры (T ПР ) и коэффициента шума (K Ш ПР ) приемника.
Далее следует найти значения P Ш А, P Ш ПР и P Ш , после чего
рассчитать чувствительность приемника по мощности, выразив ее в абсолютных
единицах мощности:
(Вт) = q0PШ∑
и относительных единицах (децибелах относительно 1 мВт):
Затем следует рассчитать чувствительность по задающему напряжению в
антенне:
В заключение следует дать оценку приемника с точки зрения необходимости и
возможности снижения шумов. Для этого, во-первых, следует сравнить рассчитанное
значение T ПР с шумовой температурой антенны. Если TПР< (0.3 - 0.6) T А , то
снижение шумов приемника бесполезно. В противном случае необходимо рассмотреть
возможность уменьшения T ПР . Для этого следует сравнить значение T ПР с
шумовой температурой УРЧ T УРЧ (либо KШ ПР и KШ УРЧ). Если T ПР превышает T УРЧ
не более чем на 30 - 50%, то снизить шумы приемника можно только уменьшив T
УРЧ, например использовав в УРЧ малошумящие активные приборы.
Если же T ПР> 1.5 T УРЧ , то следует проанализировать вклад каждого из
слагаемых выражений (13), (14). Основные рекомендации по снижению шумов в этом
случае следующие.
1. Если увеличение шумов приемника по сравнению с шумами УРЧ
обусловлено высокими потерями в кабеле, то следует переместить ВУ и УРЧ
непосредственно к антенне, а кабель включить между УРЧ и ПрЧ. Так поступают в
приемниках спутниковой связи и вещания.
2. Если высок удельный вес шумов ПрЧ, то следует увеличить
коэффициент передачи УРЧ до K P УРЧ = 20 - 25 дБ. Однако при значительном
увеличении КУРЧ снижается устойчивость УРЧ и ухудшается многосигнальная
избирательность приемника.
. Если высок удельный вес шумов УПЧ, то следует увеличить
коэффициент передачи ПрЧ или (и) УРЧ. Например, использовать вместо ПрЧ с
потерями (диодный ПрЧ с KP ПРЧ< 0 дБ) транзисторный ПрЧ с KP ПРЧ = 5 - 8 дБ.
Также может быть рекомендовано увеличение KP УРЧ.
3.
Конструкторская часть
.1 Исходные данные
Задана
структурная схема супергетеродинного приемника с параметрами узлов:
Антенна: TA = K, RА = Ом
Кабель: LКАБ = дБ
ВУ: LВУ = дБ
УРЧ: KP УРЧ = дБ; KШ УРЧ = дБ
ПрЧ: KP ПРЧ = дБ; KШ ПРЧ = дБ
ФСИ: LФ = дБ; FФ = кГц
УПЧ: KШ УПЧ = дБ
Требуемое отношение С/Ш: q0 = дБ
1. Переводим исходные данные, заданные в децибелах, в разы с помощью
известного соотношения
. Определяем, согласно (15), значения коэффициентов передачи и
коэффициентов шума пассивных узлов (кабеля, ВУ, ФСИ):
КАБ = 1 / LКАБ =
KP ВУ
= 1 / LВУ = KP Ф = 1 / LФ =
КШ КАБ = LКАБ =
КВУ = LВУ =
КШФ = LФ =
Далее задача может быть решена различными способами.
3.2 Первый
способ решения
. Вычисляем, согласно (10), значения шумовой температуры каждого каскада
приемника
КАБ = (KШ КАБ - 1) T0 =ВУ = (KШ ВУ - 1) T0 = УРЧ = (KШ УРЧ - 1) T0 = ПРЧ
= (KШ ПРЧ - 1) T0 = Ф = (KШ Ф - 1) T0 =УПЧ = (KШ УПЧ - 1) T0 =
. Основываясь на (13), рассчитываем шумовую температуру приемника в
целом. При этом обязательно фиксируем удельный вклад каждого каскада (16)
Выделенные значения характеризуют вклад каждого каскада в общую шумовую
температуру приемника. Они понадобятся на этапе анализа возможности снижения
шумов.
. Находим, используя (9), коэффициент шума приемника
КШ
ПР = 1 + 
=
. Определяем суммарную шумовую температуру приемника и приемной антенны
∑ = T А + TПР =
. Вычисляем суммарную шумовую мощность на входе приемника, полагая, что
DFЭФ » DFФ = 10 кГц,
Ш ∑ = k∙ T∑∙FЭФ =
. Рассчитываем искомое значение чувствительности приемника
А0 = q0 ·PШ ∑ =
АО (дМб)
=
UАО = 
= 
.3 Второй
способ решения
После определения TПР или KШ ПР по первому способу можно рассчитать
мощность шума приемника как
или
Ш ПР= k ∙TПР ∙ΔFЭ Ф=
Далее рассчитываем мощность шума в антенне
Ш А = k ∙TА∙ΔFЭ Ф=
суммарную мощность шума
Ш = PШ А + PШ ПР =
и чувствительность приемника
А0 = q0∙PШ ∑ =
3.4 Анализ
полученных результатов
. Сравнение значений шумовой температуры анализируемого приемника (TПР =
K) и антенны (TA = K) позволяет утверждать, что TПР>>TA. Следовательно,
при уменьшении TПР возможно значительное улучшение чувствительности приемной
установки. Таким образом, снижение шумов приемника целесообразно.
. Сравнение значений шумовой температуры приемника (TПР = K) и УРЧ (TУРЧ
= K) показывает принципиальную возможность снижения шумов, так как минимальным
предельным значением TПР является ТУРЧ. Из анализа выражения (16) видно, что
основной вклад в TПР вносят шумы УПЧ. Снизить их уровень можно двумя путями.
Во-первых, можно рекомендовать использовать УПЧ с меньшим уровнем
собственных шумов. Например, если применить УПЧ с KШ УПЧ = дБ (в анализируемой
структуре KШ УПЧ = дБ), то шумовая температура будет определяться следующими
слагаемыми (алогично (13))
Следовательно, TПР уменьшится почти в 2 раза и доля шумов УПЧ будет
малой.
Во-вторых, уменьшить вклад шумов УПЧ можно, применив ПрЧ или/и УРЧ с
большими значениями коэффициента усиления. Пусть по-прежнему KШ УПЧ = дБ.
Применим, однако, УРЧ с KP УРЧ = дБ, а ПрЧ с KP ПРЧ = дБ. В этом случае
Видно, что использование УРЧ с высоким коэффициентом усиления снизило не
только вклад шумов УПЧ, но также и ПрЧ.
. Другим фактором, определяющим высокий уровень шумов, являются потери в
кабеле на входе приемника. Если передвинуть ВУ и УРЧ непосредственно к антенне,
а кабель подключить к выходу УРЧ, то структура приемника примет следующий вид
(значения KP УРЧ и KP ПРЧ соответствуют предыдущему случаю):
ВУ: LВУ = дБ (KP ВУ = ; KШ ВУ = ; TВУ = K)
УРЧ: KP УРЧ = дБ (KP УРЧ = )Ш УРЧ = дБ (KШ УРЧ = ; TУРЧ = K)
Кабель: LКАБ = дБ (KP КАБ = ; KШ КАБ = ; TКАБ = K);
ПрЧ: KP ПРЧ = дБ (KP ПРЧ = )Ш ПРЧ = дБ (KШ ПРЧ = ; TПРЧ = K);
ФСИ: LФ = дБ (KP Ф = ; KШ Ф = ; TФ = K);
УПЧ: KШ УПЧ = (KШ УПЧ = ; TУПЧ = K).
Рассчитаем шумовую температуру при таком построении приемника
ПР=ТВУ+
Таким образом, подключение ВУ и УРЧ непосредственно к антенне позволяет
существенно снизить шумы приемника.
Дальнейшее уменьшение шумов возможно при снижении потерь в ВУ либо при
использовании УРЧ с меньшим уровнем собственных шумов. Однако, с учетом того,
что TА = K, это не даст заметного улучшения чувствительности.
Заключение
В результате выполнения курсовой работы получены данные по шумовой
температуре приемника, найден коэффициент шума и получены данные по
чувствительности в единицах мощности и в единицах напряжения. Была дана оценка
структуре с точки зрения необходимости и возможности снижения шумов и улучшения
чувствительности; предложены способы повышения чувствительности, все это
подтверждено соответствующими расчетами. Поставленная задача решена в полном
объеме, однако для практического производства устройства данных недостаточно.
Необходимая информация может быть получена в результате дополнительных
исследований, необходимость которых в техническом задании данного курсового
проекта не указывается.
Использованная литература
1.
Радиоприемные устройства: Учебник для вузов / Под ред. Н.Н.Фомина.-М.: Радио и
связь, переиздание 2005.
2. Буга Н.Н.
и др. Радиоприемные устройства: Учебник для вузов. - М.: Радио и связь,
переиздание 2006.
. Палашков
В.В. Радиоприемные устройства. - М.: Радио и связь, переиздание 2005.
.
М.А.Кузнецов, Р.С.Сенина. Радиоприемники АМ, ОМ, ЧМ сигналов: Пособие по
проектированию. Изд. 2-е / СПбГУТ. - СПб, переиздание 2005.
. Макаров
О.В., Олендский В.А. Палшков В.В. Руководство по курсовому проектированию
радиоприемников / СПбГУТ. - СПб, переиздание 2005.
.
Методические указания к лабораторным работам по курсу Радиоприемные устройства
/ А.Э.Двинина и др.; СПбГУТ. - СПб, переиздание 2005.
. Алексеев
Ю.П. Бытовая радиоприемная и звуковоспроизводящая аппаратура: спр-к. - М.:
радио и связь, переиздание 2005.
.
«Радиоприемные устройства» Методические рекомендации по изучению дисциплины.
Указания к решению контрольной работы - М.А.Кузнецов, Р.С.Сенина.