Определение распределения времени нарастания импульса

Содержание

1. Введение…………………………………………………………………..…….3

2. Техническое задание……………………………………………………..…….4

3. Состав структурной схемы приёмника…………………………………..…...4

4. Определение распределения времени нарастания импульса………….……7

5. Определение полосы пропускания приёмника…………………………..…..8

6. Полоса пропускания с учётом нестабильности частоты…………….……...9

7. Определение допустимого коэффициента шума приёмника………….…..11

8. Действительный коэффициент шума приёмника без применения УРЧ……………………………………………………………………………….13

9. Действительный коэффициент шума приёмника при применении малошумящего УРЧ перед преобразователем частоты…………………...….14

10. Расчёт логарифмического УПЧ…………………………………………....16

11. Параметры усилительного каскада на промежуточной частоте………...17

12. Коэффициент устойчивого усиления каскада на биполярном транзисторе, включенном по схеме ОЭ……………………………………………………...19

13. Расчёт смесителя…………………………………………………………...19

14. Расчёт полосового фильтра СВЧ………………………………………….20

15. Расчёт усилителя радиочастоты…………………………………………...22

16. Расчёт предварительного усилителя промежуточной частоты…………23

17. Предварительный расчёт избирательной системы тракта промежуточной частоты (ТПЧ)…………………………………………………………….…...23

18. Заключение…………………………………………………………...……26

19. Список использованной литературы………………………………..…...28

Введение

Радиоприемным называется устройство, предназначенное для приема сообщений, передаваемых с помощью электромагнитных волн. Радиолокационное приемное устройство (РПУ) входит в состав радиолокационной станции(РЛС).
Передающее устройство импульсного локатора излучает в пространство
импульсы электромагнитной энергии. Объекты, расположенные в
пространстве, отражают эту энергию. Радио локационные сигналы ,
отраженные от целей, зависят от их свойств, а так же от свойств приемника
и антенны. Обработка сигнала в приемнике предусматривает обнаружение сигнала, отраженного от цели, и (или) определение его параметров. Функции обнаружения сигнала и измерения его параметров могут быть расчленены.

В радиолокации при работе на сверхвысоких частотах (СВЧ) колебания усиливаются параметрическими и квантовыми парамагнитными усилителями. Узлы СВЧ проектируют с помощью интегральной технологии (полосковая техника). На более низких и видеочастотах в усилителях в качестве элементной базы используют транзисторы и устройства микроэлектронной (интегральной) аналоговой техники.

Импульсные РЛС являются наиболее распространённый вид станций. Импульсная РЛС излучает энергию импульсами и принимает эхо-сигналы в промежутках между очередными излучениями. Большое преимущество этих РЛС заключается в том, что ни просачивающаяся энергия передатчика, ни очень сильные отражённые сигналы от расположенных на близких расстояниях местных предметов не поступают на вход приёмника одновременно со слабыми эхо-сигналами от дальних целей.

Техническое задание

Разработать приемник со следующими параметрами:

Назначение приемника	Радиолокационный
Вид модуляции принимаемого сигнала	ЧМ
Диапазон частот, МГц	800 МГц
Чувствительность, Вт	9*10-12
Длительность импульса, мкс	1,0
Время установления импульса, мкс	0,4
Коэффициент различимости (требуемое отношение сигнал/шум)	1,2
Диапазон рабочих температур	От -50 до +500С

3. Состав структурной схемы приёмника

Данный приемник выполнен по супергетеродинной схеме, в котором усиление в них происходит на пониженной частоте, называемой промежуточной, где проще реализовать устойчивое усиление без применения специальных мер. Относительная полоса частот, занимаемая эхо-сигналом, меньше, а это облегчает фильтрацию. Кроме того, частоту гетеродина в супергетеродинном приёмнике можно менять вслед за любым изменением частоты передатчика без подстройки фильтров промежуточной частоты.

Основным составным узлом супергетеродинного приёмника, является преобразователь частоты. Его назначение - перенос спектра радиосигнала из области высоких частот в область более низких (за исключением диапазона длинных волн). Там, на более низкой частоте, называемой промежуточной, происходит основное усиление и частотная избирательность. В простейшем случае преобразование спектра происходит с использованием вспомогательного маломощного перестраиваемого генератора, называемого "гетеродином". Преобразователь частоты представляет собой активный или пассивный элемент с нелинейной передаточной характеристикой. Принцип преобразования основан на влиянии колебаний гетеродина на коэффициент передачи преобразовательного элемента. В результате чего на выходе преобразователя появляются составляющие с частотами, представляющие различные комбинации и сочетания частоты радиосигнала и частоты гетеродина. Из всех комбинаций с помощью избирательной системы выделяются полезные составляющие, которые и обрабатываются в дальнейшем.

Преобразователю зачастую предшествует малошумящий усилитель высокой частоты. Применение малошумящего усилителя перед преобразователем позволяет увеличить отношение сигнал/шум. Связано это с тем, что даже при применении в усилителе и в преобразователе малошумящих усилительных элементов шумы преобразователя превышают шумы усилителя в 3…5 раз. Решение, о применении или нет усилителя радиочастоты, будет принято ниже после эскизного расчёта шумовых свойств узлов приёмника.

Сигнал, перемещённый преобразователем в область низких частот со средней частотой, равной промежуточной, подвергается усилению и более глубокой фильтрации в избирательном усилителе промежуточной частоты (УПЧ).

Так как в фидере снижения может поглощаться (теряться) значительная часть энергии, то преобразователь стараются устанавливать рядом с антенной перед фидером. Фидеру снижения при этом предшествует предварительный усилитель промежуточной частоты (ПУПЧ). Тогда остальные каскады УПЧ именуют главным УПЧ (ГУПЧ). Усиленный предварительным УПЧ сигнал передаётся по фидеру снижения к главному УПЧ. Это позволяет увеличить отношение сигнал/шум на выходе приёмника. Конструктивно УВЧ, преобразователь с гетеродином и предварительный УПЧ, выполняют в виде единого блока и называют "высокочастотной головкой". Очевидно, что применение "высокочастотной головки" рядом с антенным устройством ведёт к усложнению конструкции и применяется только в крайнем случае с целью получить максимальную чувствительность.

Усиленный сигнал детектируется и поступает на предварительный видеоусилитель. Здесь происходит усиление видеоимпульсов до амплитуды, необходимой для нормальной работы устройства обработки сигналов (УОС). Динамический диапазон входных радиоимпульсов составлять десятки децибел. Динамический диапазон выходного сигнала намного меньше. Для сжатия динамического диапазона применяется система автоматической регулировки усиления АРУ, а также специальные типы усилителей. Усилители имеющие логарифмическую зависимость выходного напряжения от входного называются логарифмическими. В настоящее время в приёмниках радиолокационных станций, предназначенных для обнаружения объектов применяются именно логарифмические усилители. Приёмники радиолокационных станций сопровождения объектов имеют АРУ. Частота передатчика, как правило, имеет большую долговременную нестабильность. Частота простого нетермостатированного гетеродина также непостоянна. Без применения автоматической подстройки частоты гетеродина пришлось бы расширять полосу пропускания УПЧ. А это приведёт к увеличению принимаемых шумов и уменьшению отношения сигнал/шум на выходе приёмника. Предусматриваю АПЧГ, особенностью которой является поддержание постоянным разницы между частотой гетеродина и частотой передатчика.

Схема структурная приёмника.

Входная цепь (ВЦ)

Входная цепь приёмника обеспечивает защиту приемника от перегрузок и повреждения СВЧ мощностью сигнала, поступающего на рабочей частоте при работе на одну антенну с передатчиком. ВЦ связывает выход антенно-фидерного устройства со входом 1-ого каскада приёмника, в данном случае со смесителем. При этом вход и выход входной цепи должны быть согласованны с волновыми сопротивлениями присоединяемых к ним линий передач, чтобы в местах соединения не возникало отражений СВЧ энергии.

В данном случае входная цепь должна выполнять следующие функции:

· частотная селекция принимаемых сигналов для уменьшения помех на нерабочей частоте.

· подавление зеркального канала.

· защита 1-ого каскада приёмника от перегрузки и повреждения мощностью СВЧ сигналов, поступающих в приёмник на рабочих частотах .

Для защиты приёмника от перегрузок будем использовать антенный переключатель (АП) и устройство защиты приёмника (УЗП) .

Для выполнения ВЦ функций селекции и подавления шумов зеркального канала используем полосовой фильтр.

Определение распределения времени нарастания импульса

Принимаемый радиосигнал имеет практически прямоугольную форму.

Комплексная передаточная характеристика K(jw) оптимального фильтра является обратной по отношению к комплексному спектру принимаемого сигнала S(jw), или говоря строго математически комплексно сопряжённой:

K(jw) =S*(jw),

где S*(jw) - комплексно сопряжённая функция по отношению к S(jw).

Время нарастания (установления) импульса в приёмнике задано в техническом задании:

В соответствии с оптимальными соотношениями распределение времени нарастания импульса tн по цепям приёмника распределяются следующим образом.

В тракте высокой частоты:

В детекторе:

В видеоусилителе:

После подстановки:

tн твч=0,9×4×10-6=3,6×10^-6с

tн дет=0,27×4×10-6=1,08×10^-6с

tн ву=0,36×4×10-6=1,44×10^-6с

5. Определение полосы пропускания приёмника

5.1 Полоса приёмника без учёта нестабильности частоты передатчика, частоты гетеродина и доплеровского смещения частоты:

5.2 Абсолютная нестабильность частоты гетеродина:

где dнст. ген. - относительная нестабильность частоты гетеродина, обычно для генераторов без термостабилизации dнст. ген=(3…5) ×10-4, принимаю dнст. ген=5×10-4;

fГ - частота гетеродина; так как обычно fГ>> fПР, то fГ» f0.

(1)

5.3 Абсолютная нестабильность частоты передатчика.

Принимаю DfНСТ. ПРД. = DfНСТ. ГЕТ. =4×10^5Гц. (2)

Скорость объектов v, за которыми ведётся радиолокационное наблюдение, обычно не превышает 5Mah. Или по отношению к скорости звука vЗ:

v=5×vЗ

где vЗ - скорость звука, vЗ=330м/с.

v=5×330=1650м/с

Доплеровское смещение частоты:

где c - скорость света, с=3×108м/с.

6. Полоса пропускания с учётом нестабильности частоты

где КАПЧГ - коэффициент автоматической подстройки частоты, КАПЧГ=10…30 (чем сложнее АПЧГ, тем больше коэффициент).

Для простой АПЧГ КАПЧГ=10:

(3)

Полоса пропускания входной цепи и УРЧ обычно много шире полосы пропускания приёмника в целом. Значение эквивалентной добротности Qэкв контуров входной цепи и УРЧ находится в диапазоне порядка 50…200

Беру Qэкв»100, тогда полоса пропускания тракта радиочастоты:

(4)

Полоса пропускания тракта ПЧ 2DFТПЧ обычно близка к полосе пропускания приёмника 2DFП. Найду её с учётом найденной полосы пропускания тракта радиочастоты 2DFТРЧ:

(5)

Как и предполагалось 2DFТПЧ»2DFП.

6.1 Выбор величины промежуточной частоты fпр.

При выборе значения промежуточной частоты учитываю, что:

1) для достаточной фильтрации сигналов промежуточной частоты после видеодетектора необходимо, чтобы верхняя модулирующая частота FВ была ниже промежуточной частоты в 5…10 раз.

2) для лучшего воспроизведения формы импульса период промежуточной частоты Тпр должен составлять не менее 0,05…0,1 длительности импульса tи.

Верхняя частота в спектре видеосигнала составляет примерно половину ширины полосы пропускания приёмника:

FВ=0,5×DFП

FВ=0,5×3,77×105=1,89×105Гц=189кГц. (6)

Первое требование к величине промежуточной частоты:

fпр≥(5…10) ×FВ

Второе требование:

Тпр≥(0,05…0,1) ×τи

Или с учётом, что

:

Получаю систему двух требований:

fпр≥4×10^6Гц. (7)

Выбираю ближайшее меньшее значение промежуточной частоты из рекомендуемого ряда: 30МГц, 60МГц и 120МГц.

fпр=30×106Гц=30МГц. (8)

7. Определение допустимого коэффициента шума приёмника

Выбираю коаксиальный кабель марки РК75-4-19, для которого:

волновое сопротивление ρ=75Ом;

удельные потери на частоте 1ГГц α=0,21дБ/м.

Коэффициент передачи по мощности фидера снижения антенны:

,

где L - длина кабеля снижения, L=5м.

7.1 Из технического задания чувствительность равна

Pc. min=

7.2 Отношение сигнал/шум в относительных единицах:

γ=100,1×γ [дБ],

γ=100,1×12=15,8.

7.3 Допустимый коэффициент шума приёмника:

,

где Pс. min - чувствительность приёмника;

k - постоянная Больцмана;

T0 - нормальная абсолютная температура, T0=293К;

TA - шумовая температура антенны, TA=50К.

=3,39мВ(9)

8. Действительный коэффициент шума приёмника без применения УРЧ

8.1 Коэффициент шума входной цепи:

Nвц ,

где KР. ВЦ - коэффициент передачи по мощности входной цепи, обычно не менее 0,8, принимаю KР. ВЦ=0,8.

. (10)

Схема структурная первых узлов приёмника без применения УРЧ.

8.2 В настоящее время в профессиональных приёмниках в смесителях преобразователей и в усилителях дециметрового диапазона широко используются полевые транзисторы. Коэффициент шума преобразователя частоты превышает в 3…5 раз коэффициент шума усилительного элемента. Для выбранного полевого транзистора составляет не более 6дБ на частоте 1ГГц, или в относительных единицах:

NТ=100,1×6=4

Принимаю коэффициент шума преобразователя равным:

NПЧ=5×NТ,

NПЧ=5×4=20.

Коэффициент усиления по мощности преобразователя частоты, выполненного на выбранном полевом транзисторе, составляет около 2:

КПЧ≈2.

8.3 Коэффициент шума УПЧ NУПЧ=4

8.4 Ожидаемый коэффициент шума приёмника без УРЧ:

,

(11)

Ожидаемый коэффициент шума приёмника без УРЧ превышает предельно допустимый коэффициент шума:

26,9>11,5

Следовательно, необходимо применить перед преобразователем частоты малошумящий усилитель радиочастоты.

Схема структурная первых узлов приёмника с использованием УРЧ.

9. Действительный коэффициент шума приёмника при применении малошумящего УРЧ перед преобразователем частоты

9.1 В качестве усилительного элемента применяю полевой транзистор 2П310А.

Принимаю коэффициент шума УРЧ:

NУРЧ=2×NТ,

NУРЧ=2×4=8,

а коэффициент усиления по мощности:

KР. УРЧ=3дБ=2. (12)

9.2 Ожидаемый коэффициент шума приёмника с применением УРЧ:

. (13)

Ожидаемый коэффициент шума приёмника с применением УРЧ больше предельно допустимого:

21,9>11,5

Необходимо применить УРЧ с большим усилением.

9.3 Коэффициент шума приёмника с применением каскодного УРЧ:

,

где NУРЧК - коэффициент шума каскодного УРЧ, равен коэффициенту шума каскада на одном транзисторе NУРЧК=NУРЧ=8;

KР УРЧК - коэффициент усиления каскодного УРЧ.

Из этой формулы нахожу требуемый коэффициент усиления каскодного УРЧ:

.

Заменяю коэффициент шума приёмника его требуемым значением и нахожу минимальный коэффициент усиления каскодного УРЧ:

(14)

Усиление выбираю с запасом на старение элементов:

,

где k - коэффициент запаса усиления, обычно k=(2…3), выбираю k=2, . (15)

Минимальное напряжение на входе преобразователя:

,

где gВХ ПЧ - входная проводимость преобразователя частоты, gВХ ПЧ≈1,17×10-2См.

. (16)

Динамический диапазон входного напряжения в относительных единицах:

Dвх=100,05×D [дБ],

Dвх=100,05×50=316. (17)

Максимальное напряжение на входе преобразователя:

Uвх пч max=Uвх пч min×Dвх,

Uвх пч max=1,4×10-5×316=4,42×10-3В=4,42мВ. (18)

Полученное значение максимального входного напряжения преобразователя является вполне приемлемым для смесителя на полевом транзисторе.

10. Расчёт логарифмического УПЧ

10.1 Данные для расчёта

Динамический диапазон входного сигнала:

Dвх=50дБ=100,05×50=316 (19)

Динамический диапазон выходного сигнала не более Dвых=13дБ=100,05×13=4,46мВ (20)

Минимальное значение входного сигнала (определяется чувствительностью) Eвх min=8,86×10^-6В.

Минимальное значение выходного напряжения (необходимое для нормальной работы детектора) Uвых=1В.

Число каскадов логарифмического усилителя в простейшем случае численно равно требуемому динамическому диапазону выходного сигнала:

N=Dвых,

число каскадов, разумеется, округляется до ближайшего меньшего целого:

N=4,46≈4 (21)

10.2 Усиление каскада до насыщения

,

. (22)

10.3 Требуемое усиление до ЛУПЧ

,

. (23)

10.4 Расчёт усилителя логарифмического УПЧ

В логарифмических УПЧ применяются в основном широкополосные усилители. Частотная избирательность при этом осуществляется в предыдущих каскадах. В качестве схемного исполнения использую резистивный усилитель на биполярном транзисторе, включенного по схеме с общим эмиттером (ОЭ).