Устройства приема и обработки радиосигналов

Устройства приема и обработки радиосигналов

Министерство образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

Кафедра РЭС

Курсовой проект

По предмету: «Устройства приема и обработки радиосигналов»

На тему:

Приемное устройство цифровой системы связи

Санкт-Петербург - 2015

Содержание

Введение

.   Техническое задание

2.      Описание радиосигнала и его частотный спектр

.        Структурная схема РПУ

.        Структурная схема смесителя с ФПЗК

4.1 Структурная схема смесителя с ФПЗК

4.2    Принцип действия МШДБС

.3      Полная электрическая схема ПУПЧ

5. Расчет допустимого коэффициента шума приемника

6.      Расчет коэффициента шума УРЧ

.        Расчет коэффициента шума смесителя

.        Расчет общего коэффициента шума РПУ

.        Схема усилителя радиочастоты

.        Схема смесителя

.        Расчет элементов цепи согласования со входом ПУПЧ

Заключение

Список литературы

Введение

Задачей курсового проекта является разработка блока СВЧ приемника цифровой системы связи.

Для передачи информационного сигнала используется модуляция ОФТ.

Информационный сигнал кодируется, что позволяет, применяя согласованный с данным кодом фильтр, передавать на одной несущей частоте несколько информационных потоков за счет применения разных кодов (структурное уплотнение канала связи).

Приемник строится по супергетеродинной схеме. Для подавления зеркального канала используется фазовый метод.

Основной задачей при разработке блока СВЧ является обоснование возможности реализации заданной чувствительности приемника. Чувствительность задана в виде P_{c min}, то есть минимальной мощностью сигнала на входе РПУ при допустимой вероятности ошибки цифрового сигнала на выходе демодулятора. Чтобы на выходе демодулятора вероятность ошибки была не больше заданной величины на его входе, требуется соблюсти определенное отношение сигнал/шум.

Необходимо выбрать один из двух типов демодуляторов: когерентный или некогерентный. Когерентный демодулятор обеспечит заданную вероятность ошибки на выходе при значительно меньшем отношении сигнал/шум на входе, но он требует применения ФАПЧ и труднее реализуем. Поэтому, исходя из простоты реализации, сначала проверим выполнение заданной вероятности ошибки при использовании некогерентного демодулятора. Для этого необходимо рассчитать допустимый коэффициент шума приемника. Коэффициент шума показывает, во сколько раз отношение сигнал/шум ухудшается при прохождении через линейный тракт приемника. Таким образом, приемник должен обладать коэффициентом шума не превышающим рассчитанное допустимое значение. Тем самым мы получим требования по шумам, необходимые для обеспечения заданной чувствительности приемника.

Схему приемника необходимо составить из таких узлов, которые имеют коэффициенты шума, дающие в сумме меньшее значение, чем определенное нами допустимое значение коэффициента шума приемника.

1. Техническое задание

2. Описание радиосигнала и его частотный спектр

Информационный сигнал, длительностью Т, передается пачкой более коротких кодирующих импульсов длительностью τ. В результате мы имеем дело со сложным радиосигналом с базой В:

Частотный спектр такого радиосигнала занимает большую полосу частот, чем спектр простого радиосигнала.

Для декодирования сложного радиосигнала применен согласованный фильтр (СФ), согласованный с используемым кодовым законом. На выходе СФ отношение сигнал/шум будет выше, чем на входе. Это происходит за счёт того, что при декодировании в СФ кодирующие импульсы складываются синфазно, в отличии от шумов, и амплитуда информационных импульсов возрастает. При этом длительность информационных импульсов уменьшается, а спектр становится шире.

Техническим заданием определена центральная частота спектра.

Чтобы определить спектр сигнала, с которым должен работать приемник, нужно определить длительность τ самого короткого (кодирующего) импульса. Сначала необходимо определить длительность информационного импульса Т, затем разделить её на базу В. Тогда можно определить ширину спектра импульса, полученной длительности τ.

Сигнал излучается в виде прямоугольных импульсов. Основная доля энергии такого сигнала сосредоточена в основном, и в меньшей степени в двух боковых, лепестках.

Приёмник должен иметь такую полосу пропускания, чтобы через неё проходила та часть спектра, которая сохраняет характер сигнала. Поэтому, с этой точки зрения, полосу пропускания следует принять не хуже, чем .

Рис. 2.1 Спектр прямоугольного импульса

В структуре нашего сигнала импульсы идут вплотную, поэтому могут появиться межсимвольные искажения в результате наложения их спектров друг на друга.

При ОФТ нужно демодулировать каждый сигнал отдельно, чтобы не потерять информацию о его фазе. Следовательно, с целью недопущения межсимвольных фазовых искажений, полосу пропускания (ПП) делают несколько шире, чтобы импульс был более прямоугольным. Нужно сделать такую ПП, чтобы пропустить самый короткий импульс с наименьшими искажениями формы. Поэтому ПП выбираем как соотношение .

Определим длительность кодирующего импульса:

Определим шумовую полосу приёмника.

Под шумовой полосой понимают некоторую энергетическую полосу частот, в которой учитываются шумы.

Рис. 3.1 Структурная схема приемника

УРЧ - усилитель радиочастоты (СВЧ-усилитель). Транзисторный малошумящий усилитель в микрополосковом исполнении. В данном каскаде формируется чувствительность приемника. Для этого его делают малошумящим и с коэффициентом усиления по мощности настолько большим, чтобы влияние шумов последующих каскадов было незначительным.

СМ - смеситель. Устройство, работающее по принципу перемножения частот. Перемножаются, поступающие на его входы, колебания высокочастотного входного сигнала и сигнала гетеродина. На выход подаются колебания постоянной промежуточной частоты 75 МГц. Используется двухбалансный смеситель на микрополосковых элементах.

Г - гетеродин. Малошумящий генератор частоты с возможностью её изменения. Генерируемая частота устанавливается выше частоты входного сигнала с расчетом получить на выходе смесителя разностную частоту, равную f_пр.

ПУПЧ - предварительный усилитель промежуточной частоты. Представляет собой широкополосный усилитель, не формирующий ЧХ приёмника. Его функцией является предварительное усиление сигнала промежуточной частоты для возможности передать данный сигнал по длинному кабелю от блока СВЧ к остальной части приёмника. Используется специально разработанная микросхема, которая дает большое усиление по мощности К_р=200.

ГУПЧ - главный усилитель промежуточной частоты, где осуществляется основное усиление сигнала промежуточной частоты и формируется ЧХ приёмника.

СФ - согласованный фильтр. Согласован с кодом, которым закодирован сложный информационный сигнал.

Д - демодулятор. Используется когерентный демодулятор.

АРУ - автоматическая регулировка усиления.

АПЧ - автоматическая подстройка частоты. Сигнал снимается с СФ, т.е. на уровне радиосигнала.

4. Структурная схема смесителя с фазовым подавлением зеркального канала

.1 Структурная схема смесителя с ФПЗК

Рис. 4.1 Структурная схема смесителя

.2 Принцип действия малошумящего диодного балансного смесителя

Принимаемый сигнал, с помощью синфазного делителя, делят по мощности пополам с одинаковыми фазами колебаний и подводят к двум одинаковым балансным смесителям (БС).

Колебания гетеродина подводят к этим БС через квадратурный делитель мощности пополам, так что фазы этих колебаний на гетеродинных входах БС отличаются на 90°. Поэтому выходные сигналы смесителей на промежуточной частоте будут тоже квадратурными, т.е. фазы будут отличаться на 90°, а амплитуды будут одинаковы.

Суммируются эти сигналы в сумматоре квадратурных сигналов промежуточной частоты, амплитуда выходного сигнала которого зависит от соотношения фаз входных сигналов, от величины и знака их разности. В частности, когда напряжение U_п1 на выходе БС1 опережает на 90° напряжение U_п2 на выходе БС2, сумматор включают так, чтобы его выходной сигнал был максимальным. Свойства сумматора таковы, что если опережающим станет напряжение U_п2, то выходной сигнал сумматора станет равным нулю. Именно таким будет соотношение фаз напряжений U_п1 и U_п2 при приёме сигнала на частоте зеркального канала f_зк, поскольку знак разности частот f_пзк = f_г - f_зк противоположен знаку f_п = f_г - f_с. Следовательно, в идеализированных условиях, при приеме сигнала частоты зеркального канала, на выходе сумматора сигнала не будет, т.е. зеркальный канал приема подавляется.

.3 Полная электрическая схема ПУПЧ

Рис. 4.2 Полная электрическая схема ПУПЧ

Сигналы промежуточной частоты подаются на выводы 1 и 2 с каждого БС соответственно.

Фазовые сдвиги ±45° осуществляются с помощью фазосдвигающих цепей, которые подключены к выводам 11 и 12. Эти цепи находятся под напряжением и чтобы не закоротить его на землю, для RL-цепи дополнительно ставят С_р.

Выводы 4 и 6 - входы сигнала АРУ.

Выводы 7 и 5 - питания (Е+) и питания (Е-) соответственно.

Суммирование двух сигналов происходит на резисторе R_н = 50 Ом, являющимся нагрузкой для обоих выходных транзисторов V4 и V5. Данный резистор включается между выводами 10 и 8, являющимися выходами ПУПЧ.

5. Расчет допустимого коэффициента шума приемника

Допустимый коэффициент шума многокаскадного устройства определяется исходя из формулы для чувствительности приемника:

где k=1,38·10^-23 Дж/К - постоянная Больцмана;

Т₀ = 300К - абсолютная комнатная температура;

Т_ша = 150К - шумовая температура антенны, характеризующая внешние шумы

от Солнца и участков космоса.

Определение значения исходя из известного значения отношения :

Для когерентного демодулятора:

Для некогерентного демодулятора:

Тем самым мы получили требуемое отношение сигнал/шум, при котором нужно реализовать заданную чувствительность.

Допустимый коэффициент шума многокаскадного устройства при применении когерентного демодулятора:

Допустимый коэффициент шума многокаскадного устройства при применении когерентного демодулятора:

цифровой приемник частотный радиосигнал

6. Расчет коэффициента шума УРЧ

При проектировании СВЧ-усилителей, прежде всего, необходимо обеспечить их устойчивость, т.е. отсутствие самовозбуждения при работе с выбранными сопротивлениями z_г и z_н.

В зависимости от значений S-параметров транзистор находится либо в области безусловной устойчивости (ОБУ), либо в области потенциальной устойчивости (ОПУ). Под безусловной устойчивостью понимается отсутствие самовозбуждения при подключении произвольных сопротивлений z_г и z_н с положительными вещественными частями.

Выбор транзистора.

Выбор транзистора производится исходя из условий:

транзистор должен находиться в ОБУ (К_у>1);

рабочая частота транзистора должна быть максимально близка к частоте несущей входного сигнала, заданной в техническом задании.

Выбираем транзистор КТ391 (схема с ОЭ) с параметрами:

ток коллектора I_к=5 мА

напряжение на коллекторе U_к=5 В

рабочая частота транзистора f₀=3,5 ГГц

входная проводимость

- проводимость обратной связи по напряжению

- проводимость передачи по току (крутизна)

- выходная проводимость

- коэффициент устойчивости усилителя

К_у=1,008

оптимальный коэффициент отражения от генератора в стандартном тракте с характеристическим сопротивлением W₀=50 Ом

=

- оптимальный коэффициент отражения от нагрузки в стандартном тракте с характеристическим сопротивлением W₀=50 Ом

=

К_ш0= 2,46

минимальное значение коэффициента шума каскада УРЧ

К_{ш min}= 2,35

оптимальный коэффициент отражения от генератора

=

Расчетные параметры каскада УРЧ

Все расчеты выполняются для режима согласования, т.е. АЭ согласован по входу и выходу с подводящими линиями.

Входное сопротивление транзистора

Входная проводимость транзистора

Выходное сопротивление транзистора

Выходная проводимость транзистора

Экстремум коэффициента передачи номинальной мощности транзистора (ожидаемый коэффициент усиления)

Коэффициент шума СВЧ усилителя при коэффициенте отражения Г_гопт (ожидаемый коэффициент шума)

7. Расчет коэффициента шума смесителя

Используется диодный (на 4-х диодах) двухбалансный смеситель с фазовым подавлением зеркального канала. Коэффициент шума рассчитывается для предполагаемой шумовой мощности от гетеродина при возможном её ослаблении за счет того, что коэффициент передачи преобразовательного диода меньше 1 и за счет выполнения баланса в схеме.

Параметры диода

F_шд = 0,9 - шумовой множитель, характеризующий добавку шумов, вносимую диодом;

К_рд = 0,25 - коэффициент передачи диода по мощности;

N - число диодов.

Коэффициент шума диодного смесителя с учетом шумов гетеродина

где F_г - множитель, характеризующий шумы, вносимые гетеродином

где F_г0 =150 - шумовой множитель, соответствующий одному милливатту от мощности используемого гетеродина;

Р_д = 3 мВт - число милливатт мощности гетеродина, требуемое для оптимальной работы диода;

S=400 - степень подавления шумов гетеродина.

8. Расчет общего коэффициента шума РПУ

Коэффициент шума РПУ в целом, определяется по формуле:

где F_УРЧ = 8,1

F_см = 8,1

F_пупч = 2

К_УРЧ= 8,7

К_см =0,25

9. Схема усилителя радиочастоты

Рис. 9.1 Схема усилителя радиочастоты

Схема УРЧ выполнена на биполярном транзисторе. Усилитель ставится в режим согласования по входу и выходу с помощью микрополосковых линий. Тем самым, усилитель приводится к тем условиям, при которых показатели данного УРЧ были рассчитаны ранее.

Режим согласования позволяет добиться максимума коэффициента передачи усилителя по мощности.

Микрополосковая линия (МПЛ) представляет собой несимметричную полосковую линию, заполненную диэлектриком с высокой относительной диэлектрической приницаемостью ɛ (порядка 10).

В качестве материала диэлектрика выбираем Поликор с параметрами ɛ=9,8; толщина подложки h=0,5 мм.

При большой величине ɛ, бόльшая часть энергии поля сосредоточена в подложке. Однако, часть её находится также в пространстве над подложкой и верхней полоской проводника, что эквивалентно уменьшению диэлектрической проницаемости среды в МПЛ, по сравнению с величиной ɛ подложки. Поэтому, чтобы охарактеризовать диэлектрическую проницаемость среды в конкретной линии, используют параметр ɛ_эф - эффективная диэлектрическая проницаемость среды в линии (ɛ_эф<ɛ).

ɛ_эф зависит от волнового сопротивления линии W, которое зависит от ширины полоска b и параметров диэлектрика h и ɛ.

Широкая МПЛ имеет меньшее W, чем узкая. Получается, что рассеяние поля для узкой линии, в процентном отношении, больше, а её ɛ_эф меньше.

Z_ш1 - четвертьволновый трансформатор полного сопротивления. Имеет длину λ/4. Служит для согласования активной части входного сопротивления усилительного каскада с активным сопротивлением фидерной линии.

Z_ш2 - отрезок МПЛ, разомкнутый на конце, имеющий длину l > λ/4, т.к. характер входного сопротивления индуктивный.

Z_ш3 - отрезок МПЛ, замкнутый на конце, имеющий длину l < λ/4, т.к. характер выходного сопротивления емкостной.

Z_ш4 - четвертьволновый трансформатор полного сопротивления. Имеет длину λ/4. Служит для согласования активной части выходного сопротивления усилительного каскада к значению 50 Ом.

Расчет согласующих элементов схемы УРЧ.

Все СВЧ блоки приёмника проектируются из расчета входного и выходного сопротивления каждого каскада, равного 50 Ом.

Исходные данные:

W_ф = 50 Ом - волновое сопротивление фидерной линии на входе УРЧ;

f₀ = 3,4 ГГц - рабочая частота входного сигнала;

Z_вхУРЧ = 12,9+j28,05 - входное сопротивление УРЧ;

Z_выхУРЧ = 11,9 - j1,73 - выходное сопротивление УРЧ.

Рабочая частота МПЛ должна быть в 8-10 раз ниже критической частоты f_кр поверхностной ТЕ-волны найнизшего типа, определяемой соотношением:

Данное условие выполняется.

Длина волны колебания рабочей частоты приемника:

Длина волны в МПЛ определяется по формуле:

Расчет согласующих элементов на входе УРЧ.

Для того, чтобы сделать МПЛ с сопротивлением 25,4 Ом необходимо подобрать ширину линии b при выбранной толщине диэлектрика h и его диэлектрической проницаемости ɛ.

ɛ_эфш1 = 7,5

λ_ш1 = 3,2 см

l_ш1 = 8 мм

Шлейф Z_ш2 должен иметь емкостной характер чтобы компенсировать реактивную индуктивную составляющую входного сопротивления УРЧ. Используем разомкнутый шлейф. Полагая что Z_ш1= Z_ш2 и b_ш1= b_ш2 длина l_ш2>λ/4. l_ш2 = 8,5 мм

Расчет согласующих элементов на выходе УРЧ производится по приведенной выше методике.

Z_ш4 = 24,4

b_ш4 = 1,5 мм

ɛ_эфш4 = 7,2

λ_ш4 = 0,033

l_ш4 = 8,2 мм

Шлейф Z_ш3 должен иметь индуктивный характер чтобы компенсировать реактивную емкостную составляющую выходного сопротивления УРЧ. Используем короткозамкнутый шлейф. Полагая что Z_ш4= Z_ш3 и b_ш4= b_ш3 длина l_ш3<λ/4. l_ш3 = 7,5 мм

10.    Схема смесителя

Рис. 10.1 Схема смесителя

Схема выполнена на МПЛ и состоит из делителя мощности, квадратурных направленных ответвителей и шлейфов короткозамкнутых и разомкнутых для компенсации реактивных составляющих диодов.

Расчет делителя мощности

Рис. 10.2 Делитель мощности

;

 ;

Расчет квадратурного ответвителя

Рис. 10.3 Квадратурный направленный ответвитель

;

 ;

11.    Расчет элементов цепи согласования со входом ПУПЧ

Рис. 11.1 Цепь согласования

R0=34,24 Ом;

Вычислим значения входной емкости:

далее при расчете учтем эту емкость.

Вычислим значения C1:

Вычислим значения C2:

Вычислим значения L1:

Пересчитаем емкость С2 относительно емкости входа тк емкость С2 стоит параллельно емкости входа то тогда

Расчет фазосдвигающих цепей для ПУПЧ

Заключение

В процессе проектирования блока СВЧ приемника цифровой системы связи был произведен расчет необходимой полосы пропускания приемника и шумовой полосы, в которой учитываются шумы.

Исходя из рассчитанной шумовой полосы, в соответствии с заданной чувствительностью, был рассчитан допустимый коэффициент шума приемника для случая применения как когерентного, так и некогерентного демодулятора.

Далее был рассчитан общий коэффициент шума приемника, который показал, что заданную чувствительность можно обеспечить лишь в случае применения в схеме РПУ когерентного демодулятора. Затем был выполнен конструктивный расчет параметров элементов блока СВЧ РПУ с учетом согласования каскадов, а также составлена общая схема блока СВЧ.

Полученные навыки при разработке курсового проекта будут полезны в инженерной практике.

Список литературы

1. Проектирование радиоприёмных устройств Под ред. А.П. Сиверса. - М.: Сов. радио, 1976.

2.      Богданович В.А., Елистратов А.О., Сиротинин В.И. Пособие по курсовому проектированию «Радиоприёмные устройства». - Л, 1986.

.        Елистратов А.О., Сиротинин В.И., Шевченко М.Е. Преобразователи частоты СВЧ - диапазона: Учеб. пособие. - СПб: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2001.