Цифровое радиоприемное устройство

Цифровое радиоприемное устройство

Содержание

Предварительный выбор элементной базы

Расчет частотного плана

Расчет энергетического плана

Расчет динамического диапазона

Выбор цифровой элементной базы приемника

Заключение

Список литературы

Предварительный выбор элементной базы

Рассмотрим состав структурной схемы проектируемого цифрового радиоприемника:

Рис. 1. Общая структурная схема цифрового приемника

М - мультиплексор

УРЧ с РУ - усилитель радиочастоты с регулируемым усилением

Атт - аттенюаторы

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

ЦПП - цифровой понижающий преобразователь

ЦСП - цифровой сигнальный процессор

ЭВМ - электронная вычислительная машина (персональный компьютер)

МК - микроконтроллер

ЦСС - цифровой синтезатор сигналов

П с ЦУ - потенциометр с цифровым управлением

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.

Входная цепь

Для построения входной цепи приемника воспользуемся ПАВ-фильтрами. Возьмем для данного приемника три фильтра:

Таблица 1. ПАВ-фильтры

Для обеспечения заданной в ТЗ избирательности, возьмем по два фильтра на полосу частот.

Так как мы используем в определенный момент времени только одну из трех полос частот, необходимо обеспечить управляемое переключение между ними. Для этой цели возьмем мультиплексор фирмы Hittite HMC241QS16.

Перед обработкой необходимо усилить принятый сигнал. В качестве усилителя РЧ мы возьмем ИМС HMC992LP5E:

Таблица 2. Характеристики усилителя HMC992LP5E

HMC992LP5E позволяет реализовать автоматическую регулировку усиления в диапазоне 48 дБ, т.к. является не только усилителем, но и аттенюатором.

Для дополнительной регулировки усиления возьмем два цифровых аттенюатора HMC624ALP4E фирмы Hittite.

Для регулировки усилителя HMC992LP5E возьмем цифровой потенциометр фирмы Analog Devices AD5141.

Расчет частотного плана

Чтобы построить частотный план сначала необходимо определить частоту дискретизации, для этого необходимо рассчитать следующие параметры следующие параметры:

центральная частота полосы сигналов:

реальная полоса рабочих частот (ТЗ - по уровню 70 дБ):

число частотных каналов принимаемых без перестройки аналогового тракта приемника:

частота дискретизации (по алгоритму оптимального значения частоты дискретизации):

Нулевое приближение:

Первое приближение:

 - условие выполняется, возьмем.

Рис. 2. 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.

Коэффициент шума аналогового тракта ЦРПУ:

 - потери во входной цепи.

 - коэффициент передачи входной цепи.

 - коэффициент шума входной цепи.

 - коэффициент шума усилителей.

 - коэффициент шума аналоговой цепи.

Коэффициент шума всего приемника при условии согласования:

 - ОСШ по ТЗ (в разах).

 - эффективное значение напряжения сигнала в полосе частот  каналов приема.

Примем, что температура устройства , шумовая температура антенны , сопротивление антенны .

- коэффициент шума всего приемника при условии согласования.

Допустимое увеличение общего коэффициента шума за счет цифровой обработки:

Примем

Коэффициент шума АЦП

=106,8 мкВ - шаг квантования выбранного АЦП.

 - мощность шума квантования, приведенная к входу АЦП.

 - мощность шума источника для квантователя - аналогового тракта при условии согласования входного сопротивления  с выходным сопротивлением аналогового тракта.

- коэффициент шума АЦП.

Далее считаем, что входное сопротивление АЦП  согласовано с выходным сопротивлением аналогового тракта  с помощью согласующей цепи без потерь с коэффициентом передачи по напряжению, равным:

Требуемый коэффициент усиления (в разах):

Следовательно, усиления в данном случае не требуется, но т.к. коэффициент трансформации по напряжению равен 20, т.е. нужно произвести усиление сигнала по напряжению в 20 раз, и, возможно, при расчете динамического диапазона понадобится усиление сигнала, то усилитель следует оставить.

Проверка ОСШ:

 - условие выполняется, т.к. по ТЗ ОСШ = 12 дБ.

Расчет динамического диапазона

Число уровней квантования, необходимое для преобразования в АЦП минимального и максимального сигнала:

- динамический диапазон в разах.

 - максимальное напряжение сигнала на входе АЦП.

 - число уровней квантования, необходимое для преобразования в АЦП минимального сигнала.

Представление ошибок квантования некоторым эквивалентным шумом справедливо, когда число уровней квантования достаточно велико . При расчете энергетического плана получено значение коэффициента передачи аналогового тракта , которое не обеспечивает выполнение этого условия.  необходимо увеличить до значения:

. Примем, что или .

 - число уровней квантования, необходимое для преобразования в АЦП минимального сигнала.

 - число уровней квантования, необходимое для преобразования в АЦП максимального сигнала.

Для того, чтобы сигнал не превышал максимально допустимый уровень на входе АЦП, необходимо ввести в приемник автоматическую регулировку усиления (АРУ).

 - максимальный требуемый коэффициент ослабления в АРУ.

Итого необходимо получить регулируемое ослабление сигнала в -54,513 дБ. Для этих целей возьмем два цифровых аттенюатора HMC624ALP4E фирмы Hittite.

Проверка ОСШ с фактическим коэффициентом усиления:

 - условие выполняется, т.к. по ТЗ ОСШ = 12 дБ.

Максимальный коэффициент усиления, дБ:

Максимальный коэффициент ослабления, дБ:

Выбор цифровой элементной базы 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.

В качестве АЦП возьмем ИМС AD6649 фирмы Analog Devices. Данная микросхема включает в себя интегрированный цифровой понижающий преобразователь, синхронизированный с АЦП.

Рис. 3. Структурная схема АЦП AD6649

Данный аналого-цифровой преобразователь имеет скорость 250 MSPS, что достаточно для этого приемника.

Чтобы иметь возможность детектировать полученный сигнал различными способами, необходим еще один программируемый сигнальный процессор. Для осуществления последующей цифровой обработки (селекции нужного канала, детектирования и т.д.) возьмем цифровой сигнальный процессор ADSP-BF533 фирмы Analog Devices. Основные характеристики данного процессора:

§  максимальная частота ядра 600 МГц;

§  два 16-битных перемножителя MAC, два 40-битных АЛУ;

§  параллельный интерфейс ввода/вывода, интерфейс SPI, SPORT, JTAG;

§  3 таймера/счетчика с ШИМ-режимом;

§  напряжение питания 3.3 В.

Рис. 4. Структурная схема цифрового сигнального процессора ADSP-BF533

В качестве генератора напряжения частоты дискретизации целесообразно выбрать цифровой метод синтеза частоты. Для этой цели выберем высокочастотный DDS AD9858 фирмы Analog Devices. Этот цифровой синтезатор позволяет генерировать тактовый сигнал с частотой до 1 ГГц.

Рис. 5. Структурная схема цифрового сигнального синтезатора DDS AD9858

цифровой радиоприемник частота сигнал

Для управления работой приемника возьмем микроконтроллер ATmega2560 фирмы Atmel.

Рис. 6. Структурная схема микроконтроллера ATmega2560

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. Следует отметить, что принимаемый сигнал имеет довольно большую мощность для приемников такого класса, поэтому в схеме пришлось использовать аттенюаторы для его ослабления. Данный приемник может быть использован для приема сигналов меньшей мощности, либо на большей дальности.

Список литературы

1.       Цифровые радиоприемные устройства: Методические указания к лабораторным работам. РГРТУ; Сост. Ю.Н. Паршин. Рязань, 2011. 52 с.

2.       http://www.analog.com - Analog Devices

.        http://www.maxim-ic.com/ - Maxim

.        http://www.atmel.com/ - Atmel

.        http://www.hittite.com/ - Hittite