Супергетеродинный приемник

Проектирование радиотракта частоты.

Пояснительная записка

КП.210413.51.12.00ПЗ

Курсовой проект.

Разработал

Студент группы

_________________

Н. Контроль

__________________

Руководитель КП

Л. И. Никандрова

__________________

Псков 2012

УТВЕРЖДЕНО

Предметной комиссией

«_____»_________2012 г.

ЗАДАНИЕ

Для курсового проектирования по Радиоприемным устройствам______________________ _______Студента _______________________________« 3 » курса« » группы

Псковского индустриального техникума__________

(наименование среднего специального учебного заведения)

Тема задания: Проектирование радиотракта частоты________________________________

_____________

Курсовой проект на указанную тему выполняется учащимися техникума в следующем объеме:

1. Пояснительная записка

Введение_____1. Общая часть_____________________________

1.1. Супергетеродинный приёмник_____________

1.2. Чувствительность радиоприёмника_________

1.3. Избирательность приемника_______________

1.4 Модуляция сигнала______________________

1.5. Образование зеркального канала приема и необходимость его подавления__________

2. Специальная часть_______________________

2.1. Заданные параметры ВЧ тракта____________

2.2. Требования_____________________________

2.3. Указания к решению_____________________

3. Конструкторская часть___________________

3.1. Исходные данные_______________________

3.2. Первый способ решения__________________

3.3. Второй способ решения__________________

3.4. Анализ полученных результатов __________

Заключение__

Список использованной литературы_____________

2. Расчётная часть проекта

Шумовая температура антенны Т_А – К__________

Сопротивление антенны R_A – Ом_______________

Потери в кабеле L_KAБ- дБ______________________

Потери во входном устройстве L_ВУ - дБ_________

Коэффициент передачи мощности УРЧ - Кр урч - дБ______________________________

Коэффициент шума УРЧ – К_Ш, УРЧ - дБ_______

Коэффициент передачи мощности ПрЧ – К_{Р ПРЧ} – дБ________________________________

Коэффициент шума ПрЧ - К_{Ш ПРЧ} - дБ_________

Потери в ФСИ - L_Ф - дБ______________________

Полоса пропускания ФСИ по уровню 3 дБ - ΔF< кГц__________________________

Коэффициент шума УПЧ – К_{Ш УПЧ} - дБ________

Требуемое отношение сигнал-шум на входе детектора q_o – дБ________________________

3. Графическая часть проекта ____________________________

Лист 1_______

Лист 2 _______

Лист 3 _______

Дата выдачи_______________________

Срок окончания____________________

Зав. Отделением___________________

Преподаватель_____________________

Содержание.

Введение………………………………………………………………………….. 2

1. Общая часть…………………………………………………………………….4

1.1. Супергетеродинный приемник…………………………………………...4

1.2. Чувствительность приемника….…………………………………………6

1.3. Избирательность радиоприемника………….…………………………....7

1.4. Модуляция сигнала……………………...………………………………...8

1.5. Образование зеркального канала приема и необходимость его подавления ………………………………………………………………...…….10

2. Специальная часть……………………….……………………………………12

2.1. Заданные параметры ВЧ тракта………..………………………………..12

2.2. Требования……………………………………………………..…………12

2.3. Указания к решению………………………………………..……………13

3. Конструкторская часть………………………………………….…….………21

3.1. Исходные данные………………………………………….……………..21

3.2. Первый способ решения………………………………….……………...22

Лит

Лист

Листов

КП.210413.51.12.00ПЗ

Лит

№ докум.

Изм.

Подп.

Дата

Разраб.

Пров.

Т. контр.

Н. контр.

Утв.

3.3. Второй способ решения………………………………….………………23

3.4. Анализ полученных результатов……………………….……………….24

Заключение………………………………………………………………………27

Список использованных источников…………………………………………..28

Лист

КП.210413.51.12.00ПЗ

Лит

№ докум.

Изм.

Подп.

Дата

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:

1. 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.

2. 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.

3. Широкое использование в РПУ больших интегральных микросхем (БИС), являющихся сложными (крупноблочными) функционально законченными изделиями с заранее заданными параметрами.

4. Разнородность элементной базы.

5. Использование технологии микроэлектроники при производстве части узлов приемных устройств.

6.

Лист

КП.210413.51.12.00ПЗ

Лит

№ докум.

Изм.

Подп.

Дата

Непрерывное обновление элементной базы. Уровень интеграции изделий микроэлектроники в среднем за год возрастает вдвое. Средний срок «жизни» ИС не превышает 10 лет.

7. Внедрение цифровой обработки сигнала.

8. Существенное углубление и систематизация теоретических знаний практически по всем направлениям радиотехники.

9. Многовариантность задачи проектирования (существует, как правило, несколько внешне равноценных способов реализации сформулированных в техническом задании условий).

10. Повышение роли производства вычислительных методов при проектировании приборов, механизация и автоматизация процессов проектирования и производства.

Лист

КП.210413.51.12.00ПЗ

Лит

№ докум.

Изм.

Подп.

Дата

1. Общая часть

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.

Лист

КП.210413.51.12.00ПЗ

Лит

№ докум.

Изм.

Подп.

Дата

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.

Лист

КП.210413.51.12.00ПЗ

Лит

№ докум.

Изм.

Подп.

Дата

1.2 Чувствительность радиоприемника

Чувствительность радиоприемника, способность радиоприёмника принимать слабые по интенсивности радиосигналы и количественный критерий этой способности. Последний во многих случаях определяется как минимальный уровень радиосигнала в приёмной антенне, при котором содержащаяся в радиосигнале полезная информация ещё может быть воспроизведена с требуемым качеством (с достаточными громкостью звучания, контрастностью изображения и т.п.). В простейших радиоприёмниках чувствительность зависит главным образом от степени усиления сигналов в них: с увеличением коэффициента усиления нормальное воспроизведение информации достигается при более слабом радиосигнале (чувствительность радиоприемника считается при этом более высокой). Однако в сложных радиоприёмных устройствах (например, связных) такой путь повышения чувствительности радиоприемника теряет смысл, поскольку в них интенсивность полезных радиосигналов может оказаться сравнимой с интенсивностью действующих на антенну одновременно с этими сигналами внешних помех радиоприёму, искажающих принимаемую информацию. Предельная чувствительность радиоприемника в этом случае называется чувствительностью, ограниченной помехами; она является параметром не только приёмника, но зависит и от внешних факторов. При наиболее благоприятных условиях (главным образом при приёме в диапазоне метровых и более коротких волн и особенно при космической радиосвязи) внешние помехи слабы и основным фактором, ограничивающим чувствительность радиоприёмника, становятся внутренние флуктуационные шумы радиоприёмника. Последние в нормальных условиях работы радиоприёмника имеют постоянный уровень, поэтому чувствительность радиоприёмника, ограниченная внутренними шумами, - вполне определённый параметр; за меру чувствительности радиоприемника в этом случае часто принимают непосредственно уровень внутренних шумов, характеризуемый коэффициентом шума или шумовой температурой.

Лист

КП.210413.51.12.00ПЗ

Лит

№ докум.

Изм.

Подп.

Дата

1.3 Избирательность приемника

Этот параметр показывает, насколько хорошо приемник может отделить сигнал требуемой частоты от сигналов других частот. Измеряется в децибелах (дБ) относительно соседнего частотного канала либо зеркального канала (в гетеродинных приемниках).

Дело в том, что в эфире постоянно летят тысячи всевозможных электромагнитных колебаний: от радиостанций, телевизионных передатчиков, наших любимых «мобильных друзей», и т.д. и т.п. Различаются они лишь по мощности да по частоте. Правда, по мощности им отличаться не обязательно – это не есть критерий выбора. Настройка на любую радиостанцию, будь то телеканал « MTV » или база вашего домашнего радиотелефона, происходит именно по частоте. При этом, на приемнике лежит ответственность: выбрать из тысяч частот – ту одну, единственную и неповторимую, которую мы хотим принять. Если на близких частотах нет никаких признаков разумной жизни – хорошо. А если где-нибудь через пол мегагерца от нашей радиостанции, находится сигнал другой радиостанции? Это есть не очень хорошо. Вот тут то и понадобится хорошая избирательность приемника.

Избирательность приемника зависит, в основном, от добротности колебательных контуров.

Лист

КП.210413.51.12.00ПЗ

Лит

№ докум.

Изм.

Подп.

Дата

1.4 Модуляция сигнала

Амплитудная модуляция.В радиовещании в длинно - и средневолновом диапазонах радиоволн широко используется амплитудная модуляция сигнала. На вход модулятора подаются опорный и передаваемый (модулирующий) сигналы, а на выходе получаем смодулированный сигнал, положительная огибающая которого и есть исходный сигнал. Для корректного преобразования необходимо, чтобы несущая частота должна была быть, по крайней мере, в два раза выше, чем верхняя граница полосы модулирующего сигнала. Например, если мы смодулируем несущую частоту в 40 Гц гармоническим сигналом 4 Гц, то получим сигнал, спектр которого состоит из трех гармоник. Таким образом спектр модулированного сигнала симметричен, и для рационального использования передающего оборудования одну из боковых полос спектра передаваемого сигнала подавляют. При использовании разных частот опорного сигнала можно одновременно передавать несколько независимых сигналов, только необходимо соблюсти условие непересечения полос смодулированных сигналов. Данный способ модуляции довольно прост в реализации, но зато менее устойчив к помехам, нежели другие методы, рассматриваемые ниже. Помехонеустойчивость объясняется относительно узкой полосой модулированного сигнала (всего в два раза шире, чем у исходного). Тем не менее это обстоятельство позволяет использовать амплитудную модуляцию в низко- и среднечастотных диапазонах электромагнитного спектра.

Частотная модуляция. При частотной модуляции модулирующий сигнал модулирует не мощность опорного сигнала, а его частоту. То есть, если уровень сигнала увеличивается, то частота растет, и наоборот.

Из-за этого спектр частотно-модулированного сигнала значительно шире исходного сигнала. Соответственно, частотная модуляция обладает высокой помехоустойчивостью, но для ее применения необходимо занимать высокочастотные диапазоны вещания.

Лист

КП.210413.51.12.00ПЗ

Лит

№ докум.

Изм.

Подп.

Дата

Фазовая модуляция. При фазовой модуляции модулирующий сигнал модулирует фазу опорного сигнала. При модулировании цифровым (дискретным) сигналом получается сигнал с очень широким спектром, так как фаза резко поворачивается (двоичный сигнал — на 180 градусов). Поэтому фазовую модуляцию с успехом применяют для обеспечения помехозащищенной цифровой связи в микроволновых диапазонах.

Лист

КП.210413.51.12.00ПЗ

Лит

№ докум.

Изм.

Подп.

Дата

1.5. Образование зеркального канала приема и необходимость его подавления

В отличие от транзисторных смесителей, для которых наиболее существенен лишь эффект прямого преобразования частоты, в диодных смесителях наблюдается так же эффект обратного преобразования. Действительно, напряжение промежуточной частоты w_пч=w_н-w_г, появившиеся на выходе смесителя в результате взаимодействия напряжений сигнала и гетеродина, снова взаимодействует с напряжением гетеродина, что приводит к образованию на входе смесителя напряжения с частотой сигнала w_н = w_пч+w_г. Таким образом, эффект обратного преобразования обусловлен наличием сильной обратной связи в диодном смесителе, так как он канализирует энергию в обоих направлениях, т.е. представляет собой взаимное устройство. Кроме того, в диодных смесителях существует эффект вторичного обратного преобразования частоты. При действии на выходе смесителя напряжения промежуточной частоты возможно появление на входе смесителя так называемой зеркальной частоты w_з=w_г-w_пч (названной так из-за “зеркального” расположения по отношению к частоте сигнала относительно частоты гетеродина). Возникновение колебаний зеркальной частоты возможно также в случае взаимодействия между напряжением сигнала и второй гармоникой гетеродина так как w_з=2w_г-w_н. Обычно смеситель согласован со входом УПЧ, поэтому вся мощность на частоте w_пч передается в УПЧ. Колебание зеркальной частоты, образовавшееся в процессе преобразования частоты сигнала, может распространяться во входные цепи приемника. Поэтому если на входе смесителя поместить соответствующие фильтры, то колебания зеркальной частоты будет отражаться обратно в смеситель для преобразования в колебания промежуточной частоты w_пч=w_г-w_з. Если образованный таким образом ток промежуточной частоты находится в фазе с током основной промежуточной частоты w_пч=w_с-w_г, то получается дополнительная выходная мощность, т.е. увеличивается коэффициент передачи преобразователя. При сложении токов в противофазе могут, напротив, возникнуть дополнительные потери. Таким образом, взаимодействие между колебаниями сигнальной и зеркальной частоты оказывает существенное влияние на параметры диодного преобразователя частоты и работу приемника.

Лист

КП.210413.51.12.00ПЗ

Лит

№ докум.

Изм.

Подп.

Дата

Самые неприятные искажения сигнала на выходе возникают при наличии сильной помехи с промежуточной или зеркальной частотами на входе смесителя. Сигналы с такими частотами складываются в смесителе с полезным сигналом, и могут полностью нарушить работу приемника. Поэтому во всех супергетеродинных приемниках принимаются меры для подавления паразитных каналов приема.

Лист

КП.210413.51.12.00ПЗ

Лит

№ докум.

Изм.

Подп.

Дата

2. Специальная часть

2.1. Заданны параметры ВЧ тракта

· шумовая температура антенны - T_А;

· сопротивление антенны - R_А;

· потери в кабеле - L_КАБ;

· потери во входном устройстве - L_ВУ;

· коэффициент передачи мощности УРЧ - K_{P УРЧ};

· коэффициент шума УРЧ - K_{Р УРЧ};

· коэффициент передачи мощности ПрЧ - K_{P ПРЧ};

· коэффициент шума ПрЧ - K_{Ш ПРЧ};

· потери в ФСИ - L_Ф;

· полоса пропускания ФСИ по уровню 3 дБ - Δ F_Ф;

· коэффициент шума УПЧ - K_{Ш УПЧ};

· требуемое отношение сигнал-шум на входе детектора - q₀.

Требования

· определить:

· шумовую температуру приемника;

· коэффициент шума приемника;

· чувствительность приемника в единицах мощности (Вт и дБм);

· чувствительность приемника в единицах напряжения (микровольтах);

· дать оценку структуры с точки зрения необходимости и возможности снижения шумов и улучшения чувствительности; предложить способы повышения чувствительности приемника, подтвердив их соответствующими расчетами.

Лист

КП.210413.51.12.00ПЗ

Лит

№ докум.

Изм.

Подп.

Дата

2.3 Указания к решению.

Одним из способов задания чувствительности, как способности приемника принимать слабые сигналы, является задание значения P_А0 - мощности сигнала на согласованном с R_А входе приемника (R_А = R_ВX), при котором обеспечивается заданное отношение сигнал-шум на входе детектора q₀. При линейном ВЧ тракте q₀ определяет превышение мощности сигнала P_А0над мощностью шумов приемной установки:

P_А0= q₀·P_Ш∑

где [2. Стр. 24]