Проектирование радиопередающей части системы радиосвязи

 

Введение

Приемопередающее устройство - это источник и приемник радиочастотных колебаний в системах радиосвязи, телевидения, радиолокации и др. Назначение приемопередатчика - сформировать и принять радиосигнал в соответствии с требованиями, установленными при разработке системы.

Радиосигналом называют колебание радиочастоты, один или несколько параметров которого изменяются (модулируются) в соответствии с передаваемым сообщением (информацией).

Частотная модуляция (ЧМ) применяется в высококачественном радиовещании, в радиорелейных линиях с большим числом каналов, в радиолокационных системах непрерывного излучения. При любых видах модуляции энергия сигнала локализована в узкой полосе частот радиоспектра. Это означает, что радиосигнал представляет собой колебание, близкое к гармоническому. Поэтому основным сигналом, для которого рассчитываются режимы каскадов приемопередатчика, является гармонический.

Системы подвижной радиосвязи делятся на мобильные, стационарные, индивидуальные по специально выделенным каналам и др. Подвижная радиосвязь осуществляется в нескольких диапазонах радиоволн, например, гектометровые - СВ (f0 = 2,13 МГц), метровые - УКВ1 (f0 = 151,725 - 156 МГц) и дециметровые - УКВ2 (f1 = 457,4 - 458,45 МГц и f2 = 467,4 - 468,45 МГц). Наибольшее применение в подвижной радиосвязи получил диапазон метровых радиоволн, поэтому радиостанции этого диапазона широко используются в настоящее время. Задачей данного курсового проектирования является разработка системы радиосвязи метрового диапазона, включающая в себя передающую и приемную части.

Проектирование системы радиосвязи включает в себя разработку следующих разделов:

) выбор структурной схемы;

) выбор и обоснование функциональной схемы системы радиосвязи;

) предварительный расчет основных параметров передающей части;

) предварительный расчет основных параметров приемной части;

) расчет кривой наземного затухания напряжённости поля радиоволны между двумя радиостанциями.

Успешное решение поставленных задач зависит от правильности выбора структурной схемы и предварительного расчета параметров функциональной схемы системы радиосвязи. В результате предварительного расчета устанавливаются количество каскадов усиления мощности и напряжения, преобразования частоты, генерации и модуляции; количество и типы специальных микросхем, колебательных контуров, кварцевых резонаторов и фильтров сосредоточенной избирательности (ФСИ) для функционирования радиосистемы.

Исходные данные

) Значения рабочей частоты возбудителя fраб = 152,750 МГц;

) Выходная мощность передатчика на нагрузке 50 Ом Рвых = 12,7 Вт;

) Высоты подвеса антенн H1 = 19 м , H2 = 16 м;

) Чувствительность приемного устройства при отношении «сигнал/шум», равном 12 дБ, и входном сопротивлении приемника 50 Ом Uвх min = 0,58 мкВ.

) Параметры девиации частоты модулятора: Дfном = 3,5кГц; Дfmax = 4кГц.

) Избирательность приемника по соседнему каналу Seз.к = 67 дБ , по зеркальному Seс.к = 54 дБ.

) Стабильность частоты возбудителя и гетеродинов дf = 10-5.

) Коэффициент нелинейных искажений сигналов в радиоканале Кг = 5,0%.

) Длина (м) и погонное затухание (дБ/м) коаксиального кабеля, соединяющего приёмопередатчик и антенну lк = 15м, бк = 0,08 дБ/м

) Номиналы напряжения питания: 25, 15, 12, 9, 5 В.

1. Выбор структурной схемы

Проектирование радиопередающей части системы радиосвязи начинается с разработки функциональной схемы. В настоящее время широко используются системы аналоговой частотно-модулированной (ЧМ) радиосвязи, которые выполнены на современной микроэлементной базе с применением микропроцессорной технологии обслуживания с программным обеспечением, позволяющим конфигурировать режимы радиостанции применительно к конкретным условиям эксплуатации на используемой сетке частот при работе в симплексном или дуплексном режимах.

Структурная схема такой системы приведена на рисунке 1. В eё состав входят следующие устройства:

) блок коммутации К симплексного режима работы;

) передающая часть, включающая в себя усилитель мощности (УМ), синтезатор-возбудитель, опорный генератор и модулятор, обеспечивающий оптимальный режим частотной модуляции в канале;

) приемная часть системы радиосвязи, включающая в себя тракт усиления радиочастоты (УРЧ), синтезатор первого гетеродина и сам гетеродин, первый смеситель, усилитель первой промежуточной частоты и завершающую часть приемника, выполненную на одной микросхеме: второй смеситель, второй гетеродин, усилитель второй промежуточной частоты, частотный детектор и предварительный усилитель звуковой частоты. После микросхемы следует тракт дополнительного усиления сигнала, который подается затем в блок автоматики.

Рисунок 1 - Структурная схема системы радиосвязи

2. Выбор и обоснование функциональной схемы системы радиосвязи

.1 Функциональная схема радиопередающей части

Для разрабатываемой функциональной схемы передающей части из структурной схемы выбираются устройства: коммутатор К, усилитель мощности, который может состоять из двух каскадов предварительного усиления (ПОК1 и ПОК2) и оконечного усилителя мощности (ОК). Схема синтезатора-возбудителя предназначена для формирования высокочастотного ЧМ-коле-бания с амплитудой не менее 0,5 В, которое используется для возбуждения предварительного усилителя мощности ПОК1.

Диапазон частоты возбудителя - от 151,725 до 156,000 МГц, шаг сетки частоты - 25 кГц. В состав возбудителя входят устройства: генератор, управляемый напряжением (ГУН1) на транзисторе ГТ311Е и варикапах КВ121А; буферный усилитель на двух транзисторах того же типа, включенных по каскодной схеме «ОЭ - ОБ»; большая интегральная схема синтезатора частоты типа КФ1015ПЛ4Б или КР1015ХК2. Опорный сигнал частотой 10 МГц для передающего и приемного синтезаторов вырабатывает высокостабильный генератор «Топаз-03», выпускаемый в виде малогабаритного конструктивного устройства, питаемого стабилизированным напряжением +9 В. В проекте его можно использовать как функциональный блок без представления принципиальной схемы.

На вход синтезатора частоты поступает сигнал с ГУН1 через развязывающее устройство в виде буферного усилителя. Входом является включенный в синтезатор делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД), с выхода которого сигнал поступает на один из входов частотно-фазового детектора (ЧФД). На второй вход детектора подается высокочастотный сигнал опорного генератора (ОГ), прошедший через делитель опорной частоты (ДОЧ). ЧФД формирует сигнал ошибки, пропорциональный разности фаз входных сигналов. Это напряжение ошибки по цепи фазовой автоподстройки (ФАПЧ) через фильтр низких частот (ФНЧ) подается на управляющий вход ГУН1, что приводит к изменению его частоты до требуемого значения, определяемого коэффициентом ДПКД. Синтезатор имеет выход сигнала детектора захвата частоты петлей ФАПЧ.

На ГУН1 одновременно осуществляются частотная модуляция и автоподстройка его частоты. Чтобы не происходило снижения девиации частоты за счет схемы ФАПЧ, постоянная времени ФНЧ на выходе синтезатора выбрана много больше, чем период низкой частоты (Fmin = 300 Гц) спектра низкочастотного сигнала. При этом ФАПЧ работает на частотах ДF << 300 Гц и не реагирует на сравнительно быстрые изменения частоты при ее девиации, что делает возможным одновременное сосуществование частотной модуляции и авто-подстройки частоты генератора.

Информация о частоте конкретного канала поступает в регистр синтезатора по цепям «Запись», «Данные» и «Синхронизация». Сигнал «Запись» содержит байт информации о включении или выключении передатчика, сигнал «Данные» - еще три байта информации для передачи трехзначного номера канала, общее число которых в диапазоне частоты от 151,725 до 156,000 МГц N = 172, таким образом, для хранения информации «Запись» и «Данные» должно использоваться 32-разрядное (4-байтовое) управляющее слово, формируемое в блоке автоматики. Запись номера канала, по которому в ДПКД синтезатора устанавливается необходимый коэффициент деления, производится двоичным последовательным кодом, продвигаемым через регистр синтезатора с каждым синхроимпульсом, поступающим по цепи «Синхронизация». При этом внутри синтезатора последовательный код преобразуется в параллельный, что обеспечивает нормальное функционирование режима ФАПЧ возбудителя. Все сигналы поступают в синтезатор через буферную микросхему 564ПУ4Б D1. Сигнал синтезатора подается также на схему контроля для формирования сигнала исправности его работы.

Особое место в схеме передающего тракта занимает модулятор, который выполняет следующие функции:

обеспечивает номинальную девиацию частоты Дfном;

ограничивает максимальное значение девиации частоты Дfmax;

осуществляет необходимую предкоррекцию амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) тракта по закону +6 дБ/октава.

Для выполнения указанных функций схема модулятора содержит в себе следующие устройства:

усилитель звуковой частоты, охваченный петлей автоматической регулировки усиления (АРУ), которая производит сжатие динамического диапазона входных сигналов;

корректор АЧХ +6 дБ/октава для модулирующего сигнала, поступающего с блока автоматики;

амплитудный ограничитель, устраняющий перемодуляцию передатчика;

фильтр низких частот, служащий для ограничения полосы пропускания модулирующих сигналов в пределах от 0,3 до 3,4 кГц;

формирователь сигнала исправности модулятора.

Расчёт режима модулятора в данном проекте не выполняется. Параметры стандартного модулятора:

чувствительность модуляционного входа модулятора при Rвх= 600 Ом (должна быть не менее 300 мВ);

- отклонение амплитудно-частотной модуляционной характеристики передатчика (АЧМХ) от характеристики с предкоррекцией +6 дБ/октава (должно быть в пределах дБ);

уровень паразитной амплитудной модуляции (не более 3 %).

Функциональная схема передающей части системы радиосвязи приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Функциональная схема передающей части

.2 Функциональная схема радиоприемной части

Проектирование радиоприемной части системы радиосвязи начинается с разработки функциональной схемы. Для функциональной схемы приемника кроме коммутатора К выбираются два усилителя радиочастоты - УРЧ1 и УРЧ2, первый смеситель VT1, на второй вход которого через буферный усилитель БУ2 подается сигнал с генератора, управляемого напряжением ГУН2, который выполняет роль первого гетеродина приемника. Диапазон перестраиваемой частоты первого гетеродина - от 173,125 до 177,400 МГц (N = 172 канала) - обеспечивается собственным синтезатором приемной части канала, аналогичным синтезатору возбудителя.

Схема генератора, управляемого напряжением ГУН2, аналогична схеме ГУН1, но имеет более простую колебательную систему, так как в ней не должна производиться частотная модуляция. Для увеличения мощности сигнала первого гетеродина и его надежной развязки от смесителя и синтезатора частоты должен быть использован буферный усилитель БУ2, собранный по каскодной схеме «ОЭ - ОБ».

В состав большой интегральной схемы (БИС) синтезатора частоты приемника входят те же элементы, что и в функциональную схему, выполнен он на микросхеме D2 типа КФ1015ПЛ4Б либо КР1015ХК2. В качестве опорной частоты f0 = 10 МГц используется частота опорного генератора «Топаз-03», имеющего относительную нестабильность дf ? 10-5. Напряжение рассогласования, сформированное частотно-фазовым детектором синтезатора, через ФНЧ поступает на варикапы колебательного контура ГУН2 и управляет его частотой. Запись коэффициентов деления ДПКД и опорного делителя в регистр синтезатора осуществляется последовательным двоичным кодом по цепям «Запись 1», «Данные», «Синхронизация». В приемном синтезаторе предусмотрена схема контроля (вывод 4), формирующая сигнал исправности синтезатора при наличии захвата в кольце ФАПЧ.

Преобразованный сигнал со смесителя СМ1 через фильтр сосредоточенной избирательности ФСИ1 поступает на усилитель первой промежуточной частоты fПЧ1 = 21,4 МГц, выполненный по стандартной схеме. С её нагрузки - двухконтурного фильтра - сигнал поступает на вход микросхемы D3 типа МС3371Р. Микросхема D3 осуществляет второе преобразование частоты сигнала во вторую промежуточную частоту fПЧ2 = 465 кГц, ее усиление, частотное детектирование и предварительное усиление звуковой частоты речевого сигнала.

К выводу 1 микросхемы D подключен кварцевый резонатор Z1, который служит для генерации вторым гетеродином частоты fг2 = fПЧ1 + 465 кГц. Сигнал второй промежуточной частоты выделяется кварцевым ФСИ2, усиливается и детектируется. Сигнал, усиленный микросхемой D3, поступает на активный ФНЧ и конечный усилитель в блоке автоматики и управления, выполняющий функцию частотного корректора, обеспечивающего спад («завал») частотной характеристики сигнала -6 дБ/октава. Далее сигнал звуковой частоты используется в блоке автоматики.

Функциональная схема приемной части приведена на рисунке 3. По этой схеме произведём расчет основных параметров приемника.

Рисунок 3 - Функциональная схема приемной части

3. Расчет основных параметров функциональной схемы передающей части

Требуется рассчитать передающую часть системы радиосвязи со следующими исходными параметрами:

fраб = 152,750 МГц;

дf = 10-5(стабильность частоты возбудителя и гетеродинов);

Рвых = 12,7 Вт;

Дfном = 3,5кГц;

Дfmax = 4кГц;

ДF = 300 - 3400 Гц.

Для расчётов ОК выберем мощный высокочастотный транзистор КТ909А. Параметрами для типового режима его работы: = 1,5-2 Рвых; ; fтип.

= 24 Вт, = 2,4, fтип = 500 МГц

Транзистор КТ909А структуры n-p-n . Предназначен для применения в усилителях мощности, умножителях частоты и автогенераторах на частотах 100...500 МГц при напряжении питания 28 В. 1) Рассчитаем коэффициент усиления мощности оконечного каскада (ОК) на рабочей частоте по формуле:

(1)

= 25,7.

) Мощность возбуждения на входе оконечного каскада:

, (2)

= 0,99 Вт.

где hкс - коэффициент полезного действия контура предоконечного каскада, его значение рекомендуется выбрать с запасом, hкс = 0,5; .

Предоконечный каскад может быть выполнен на менее мощном высокочастотном транзисторе КТ907А с параметрами типового режима: fтип, .

fтип = 400 МГц, = 3.

) Рассчитаем по ним коэффициент на рабочей частоте по формуле:

. (3)

= 20,57.

) По найденному значению коэффициента Кр на рабочей частоте определим мощность возбуждения на входе предоконечного каскада:

. (4)

= 0,1Вт.

4) Для возбуждения предоконечного каскада мощности буферного усилителя, нагружающего ГУН1, будет недостаточно, потребуется еще один предоконечный каскад ПОК1 на высокочастотном транзисторе средней мощности КТ606 с мощностью возбуждения

. (5)

= 9,72?10-3 Вт.

5) Определим оптимальную амплитуду модулирующего напряжения звуковой частоты по формуле:

, (6)

= 0,6 В.

где н - коэффициент нелинейности характеристики варикапа (в большинстве случаев рекомендуется принимать н равным 0,5);

Uв0 - напряжение смещения варикапа (Uв0 = 4 - 10 В).

Для данного проекта выберем варикап КВ121А с параметром Uв0 = 4 В при С0 = 17 пФ.

Режимы автогенератора ГУН с буферным усилителем предварительно не рассчитываются.

4. Расчет основных параметров функциональной схемы приемной части

Требуется рассчитать приемную часть системы радиосвязи со следующими исходными параметрами: fраб, fг1, Uвх min, ДfПЧ1, ДfПЧ2, Seз.к, Seс.к, дf.

) Рассчитаем полосу частот генерации ЧМ-канала по формуле:

= = 22,2 кГц(7)

где Мf = Дfmax/Fmax = 4кГц / 3,4кГц = 1,18 - индекс частотной модуляции;

Дfmax - максимальная девиация частоты ЧМ-сигнала;

Fmax - максимальная частота телефонного спектра;

полосу частотной нестабильности канала:

(8)

где :

?fраб = fраб дfв = 152,750?106 ?10-5 = 1,53 кГц - абсолютная нестабильность частоты возбудителя.

fг1 = fраб + 21,4 = 152,750 + 21,4 = 174,15 МГц ;

fг2 = fПЧ1 + 465 кГц = 21,4 МГц + 465 кГц = 21,865 МГц ;

?fг1 = fг1 дfг = 174,15?106 ?10-5 = 1,74 кГц - абсолютная нестабильность частоты 1 гетеродина. 21,4

?fг2 = fг2 дfг = 21,865?106 ?10-5 = 0,22 кГц - абсолютная нестабильность частоты 2 гетеродина.

fПЧ1 = 21,4 МГц ; fПЧ2 = 465 кГц

ДfПЧi = fПЧi дfПЧ - абсолютная нестабильность трактов промежуточной час-тоты (ПЧ);

fПЧ1 = fПЧ1 дfПЧ = 21,4?106 ?10-5 = 210 Гц

ДfПЧ2 = fПЧ2 дfПЧ = 465?103 ?10-5 = 5 Гц

дfi = 10-5.

Тогда: 2,34 кГц

2) Вычислим ширину полосы пропускания приемного тракта по формуле( не должна превышать 25 кГц):

Побщ = Пс + Пнест = 22,2 + 2,34 = 24,54 кГц (9)

) Определим первую промежуточную частоту в зависимости от заданной избирательности по зеркальной помехе Se¢з.п, числа колебательных контуров в тракте высокой частоты (ВЧ) nВЧ и их эквивалентного затухания dэ (dэ = 0,06):

. (10)

21,9 МГц

В качестве первой промежуточной частоты возмем стандартную, принятую в новых радиостанциях (fПЧ1 = 21,4 МГц).

4) Вторую промежуточную частоту вычислим по формуле:

, (11)

472,8 кГц;

где Dfс.к = 25 кГц;

;

dПЧ £ 0,02 (при использовании ФСИ);

nПЧ = 9;

В качестве второй промежуточной частоты выберем стандартную для радиостанций (fПЧ2 = 465 кГц).

) Оценим степень ослабления второй зеркальной помехи в тракте преселектора (УРЧ) по формуле:

=1,06(12)

где dэВЧ » 0,06; nВЧ = 3.

) Малое ослабление зеркальной помехи в преселекторе требует использования в трактах УПЧ1 и УПЧ2 фильтров сосредоточенной избирательности кварцевого или пьезокерамического типа.

) Произведем предварительное распределение усиления по каскадам приемника. Так, например, двухкаскадный УРЧ может иметь устойчивый коэффициент усиления КУРЧ не менее 10 (10 - 15), тогда при чувствительности приемника Uвх min на входе первого преобразователя появится сигнал с напряжением

Uвх.пр1 = Uвх min КУРЧ = 0,58 мкВ ? 10 = 5,8 мкВ (13)

8) Примем общий коэффициент усиления в тракте УПЧ1 равным 31, тогда на вход второго преобразователя будет подаваться напряжение

= 5,8 мкВ ? 31 =179,8 мкВ (14)

) Оценим общий коэффициент усиления приемного тракта с некоторым запасом, если на предельной чувствительности микросхема МС3371Р может выдавать выходное напряжение низкой частоты (НЧ) не менее 0,12 В (Uвых НЧ):

= = 207000 (15)

) Коэффициент усиления, приходящийся на микросхему МС3371Р,

= = 668 (16)

5. Расчет наземного затухания напряженности поля радиоволны

В данном курсовом проекте необходимо также рассчитать значения напряженности поля радиосигнала Е, напряжение сигнала на входе кабеля, соединяющего антенну с приемником радиостанции (), и напряжение сигнала на входе самого приемника (), если длина соединительного кабеля lк = 15м, а погонное затухание кабеля бк = 0,08 дБ/м.

1) Рассчитаем напряженность поля в месте расположения приёмной антенны Е по квадратичной формуле Б.А. Введенского при r0 = 5км:

= = 1966(мкВ/м) (17)

где:

PУ - мощность, излучаемая антенной = Рвых/Aк = 12,7/ 1,78 = 7,13 Вт;

Aк = lк ? бк = 15 ? 0,08 = 1,2дБ = 1,78 раз.= 19 м , H2 = 16 м - высоты подвеса антенн;

Ga = 1,62 - коэффициент усиления простейшей стационарной антенны - полуволнового вибратора;

л = с / fраб = 3?108 / 152,750?106 = 1,96 м

- приведенная с учётом сферичности Земли высота первой антенны;

= 18,6(м)

- приведенная с учётом сферичности Земли высота второй антенны;

= 15,66(м)

км - приведенный радиус Земли с учетом нормальной тропосферной рефракции радиоволн в приземном слое атмосферы.

Формула (17) применяется при расчете напряженности поля для ровной сферической земной поверхности, когда расстояние между абонентами r0 > 1 км.

2) Вычислим напряжение на входе кабеля, соединяющего антенну и приемник радиостанции, по формуле:

= = 613,6(мкВ) (18)

где - действующая высота четвертьволнового вибратора;

е - ЭДС, наведенная в антенне полем радиоволны.

3) Определим напряжение на входе приемника радиостанции при длине кабеля lк по формуле:

= 0,87 ? 613,6 = 533,83(мкВ) (19)

где - коэффициент затухания напряжения в кабеле lк.

= 0,87

Примем r0 = 10 км и повторим расчеты по формулам17-19.

= 17,4(м)

= 14,66(м)

= = 430,3 (мкВ/м)

= = 134,3(мкВ)

= 0,87 ? 134,3 = 116,84(мкВ)

Примем r0 = 20 км и повторим расчеты по формулам17-19.

= 12,61(м)

= 10,62(м)

= = 56,48 (мкВ/м)

= = 17,63(мкВ)

= 0,87 ? 17,63 = 15,34(мкВ)

Примем r0 = 25 км и повторим расчеты по формулам17-19.

= 9,02(м)

= 7,6(м)

= = 18,5 (мкВ/м)

= = 5,77(мкВ)

= 0,87 ? 5,77 = 5,02(мкВ)

Примем r0 = 30 км и повторим расчеты по формулам17-19.

= 4,63(м)

= 3,9(м)

= = 3,38 (мкВ/м)

= = 1,05(мкВ)

= 0,87 ? 1,05 = 0,9 (мкВ)

Примем r0 = 30,5 км и повторим расчеты по формулам17-19.

= 4,15(м)

= 3,49(м)

= = 2,63 (мкВ/м)

= = 0,8(мкВ)

= 0,87 ? 0,8 = 0,7 (мкВ)

Примем r0 = 30,85 км и повторим расчеты по формулам17-19.

= 3,8(м)

= 3,2(м)

= = 2,15 (мкВ/м)

= = 0,67(мкВ)

= 0,87 ? 0,67 = 0,58 (мкВ)

4) Занесем полученные расчетные данные в таблицу.

Расчёты проводим до тех пор, пока Uвх не достигнет значения Uвх.min.

Таблица 1.Расчетные данные по затуханию радиоволны в точке приёма

r0, кмЕ, мкВ/м, мкВUвх, мкВ51966613,6533,8310430,3134,3116,842056,4817,6315,342518,55,775,02303,381,050,930,52,630,80,730,852,150,670,58

Заключение

радиосвязь схема структурный

В ходе выполнения данного курсового проекта были приведены обоснование и выбор структурной схемы системы радиосвязи, проведены предварительные расчеты основных параметров передающей и приемной частей радиоканала, произведён расчет наземного затухания напряженности поля радиоволны. Рассчитанная дальность прямой видимости при заданных параметрах ТЗ составила 30,85 км.

Курсовой проект состоит из страниц, содержит рисунка, таблицу. При выполнении курсового проекта были использованы текстовый редактор Microsoft Word , графический редактор Visio 2013.

Список используемой литературы

радиосвязь схема структурный

1.Методическое пособие к курсовому проекту по дисциплине «Основы проектирования систем связи» Омск, 2013

. Ю.К. Казаков, Описание аналоговых систем передачи (АСП), Рязань, 1999г.

3.Аксёнов А.И., Нефёдов А.В. «Элементы схем радиоаппаратуры»: Справочник. - М.: Радио и связь. 1995. - 272 с.: ил. - (Массовая радио библиотека; Вып. 1203). ISBN 5-256-01181

.Интернет

Введение Приемопередающее устройство - это источник и приемник радиочастотных колебаний в системах радиосвязи, телевидения, радиолокации и др. Назначение

Больше работ по теме: