Проектирование и расчет структурной схемы радиоприемника (стр. 1 из 3)

Проектирование и расчет структурной схемы радиоприемника

Москва 2005 г.

Введение

Техника радиовещания на УКВ с частотной модуляцией (ЧМ) начала развиваться с 30-х годов, когда были обнаружены высокая помехоустойчивость и высокое качество сигнала при этом виде модуляцию. Частотная модуляция относится к широкополосным видам модуляции, при которых излучаемая передатчиком полоса частот намного превышает полосу частот модулирующего звукового сигнала. Происходит как бы «обмен» полосы на отношение сигнал-шум, которое может достигать на выходе ЧМ детектора от –70 до –80 дБ. В связи с этим максимальную девиацию частоты радиовещательных передатчиков устанавливают равной 60 кГц (в РФ) или 75 кГц (в США). Полоса частот, занимаемая станцией в эфире, получается более 100 кГц, поэтому вещание с ЧМ ведется только на УКВ. Ширина радиовещательного УКВ диапазона в РФ (65, 8 – 73 МГц) втрое превосходит суммарную ширину участков, отведенных для радиовещания в диапазонах ДВ, СВ, и КВ.

Ультракороткие волны слабо огибают земную поверхность, а так же препятствия, встречающиеся на пути их распространения. Поэтому радиус действия УКВ ЧМ передатчиков обычно превосходит 70 – 100 км. Даже в зоне «радиовидимости» встречаются области глубокой «тени» со слабой напряженностью поля. Тем не менее, УКВ радиовещание полностью оправдано в городах и густонаселенных местностях, где построена густая сеть УКВ радиостанций и ретрансляторов. Эпизодически возможен и дальний прием УКВ станций, обусловленных сверхрефракцией радиоволн в тропосфере или другим причинам, например, отражением от спорадических ионосферных образований.

Одновременно с количественным развитием сети УКВ вещания происходил и качественный процесс – непрерывное совершенствование техники УКВ приема. Сверхрегенераторы применявшиеся ранее, виду их исключительной простоты, были полностью заменены супергетеродинными приемниками. Классическая структурная схема супергетеродинного приемника, включающая УВЧ, преобразователь частоты, УПЧ с большим коэффициентом усиления, ограничитель, частотный детектор (ЧД) и УПЧ существует без заметных изменений уже более полувека. Изменялась лишь элементная база – лампы уступили место транзисторам, затем интегральным микросхемам, с развитием стерео вещания добавился стерео декодер. Эта же структурная схема используется и во вех современных УКВ приемниках, выпускаемых промышленностью.

Попытки улучшить качество работы и помехоустойчивость приемника ЧМ привели к усовершенствованию всех перечисленных элементов структурной схемы приемника. Были созданы малошумящие высокочастотные каскады с большим динамическим диапазоном, тракты ПЧ с монолитными пьезокерамическими фильтрами УНЧ с большой выходной мощностью и пренебрежимо малыми частотными и нелинейными искажениями. В наименьшей степени этот процесс затронул «классический» частотный дискриминатор (ЧД) или детектор отношений.

Предпринимались поиски новых технических решений, улучшающих УКВ прием. Основные изобретения были сделаны в конце 30-х годов, однако, из-за слабого развития техники они долго не получали распространения. К этим изобретениям относятся отрицательная обратная связь по частоте (Чеффи, 1937), следящий фильтр (Виницкий, 1940), приемник с синхронно-фазовым ЧД (Кросби, 1938). Если первые два изобретения лишь улучшают параметры приемника ЧМ, причем, основные узлы структурной схемы, включая ЧД, остаются неизменными, то синхронно-фазовый детектор отличается принципиально – в нем используется техника синхронного детектирования ЧМ сигнала.

Синхронный прием был известен еще раньше – пионерами применения этой техники для детектирования АМ сигналов были Бельсиз, во Франции и Момот, в СССР, намного опередившие в своих работах уровень техники того времени. Однако, практическое развитие техника синхронного приема получила лишь с появлением систем фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), обеспечивающих синхронизацию гетеродина приемника.

Система ФАПЧ включает: фазовый детектор, фильтр нижних частот, усилитель и управляемый напряжением гетеродин. В процессе работы фазовый детектор вырабатывает сигнал ошибки слежения. Этот сигнал, пройдя через фильтр и усилитель, подстраивает частоту гетеродина под частоту сигнала до точного их совпадения. Если частота выходного сигнала модулирована, то управляющее напряжение изменяется в такт с модуляцией, т.е. является продетектированным сигналом.

В настоящее время системы ФАПЧ нашли применение в самых различных областях техники: в синтезаторах частоты для выделения нужной гармоники из сложного спектра, в различных следящих системах, в цепях синхронизации телевизионных приемников и даже в устройствах стабилизации частоты вращения диска электропроигрывателей.

Что касается систем связи, то выделение несущих, тактовых и синхронизирующих частот осуществляется чаще всего системами ФАПЧ. Так, например, в наземных станциях спутниковой системы связи «Орбита» для демодуляции ЧМ сигнала используется система ФАПЧ.

К идее использования обратной связи по частоте (ОСЧ) следящих фильтров (СФ) и синхронно-фазовых детекторов (СФД) для радиовещательного ЧМ приема вернулись в 60-х годах, когда возможности совершенствования «классического» тракта ПЧ и ЧД приемника были практически исчерпаны. Теоретическими работами было показано, что ОСЧ и СФ в случае широкополосных, а СФД, в случае сравнительно узкополосных (типа радиовещательных) ЧМ сигналов практически реализуют потенциальную, т.е. предельно возможную помехоустойчивость ЧМ приемника.

Промышленный образец приемника ЧМ и СФД был выпущен фирмой Кортинг (ФРГ) и показан на выставке 1953 г. Он не получил распространения из-за сложности и дороговизны ламповой схемы. С появлением транзисторов и интегральных микросхем изготовить ЧМ детектор с ФАПЧ стало гораздо проще. В новом приемнике той же фирмы «Синтектор 1500» СФД обеспечивает подавление АМ более 60 дБ и существенно улучшает селективность по соседнему каналу.

1. Расчет Y – параметров транзистора

В данном разделе необходимо найти Y-параметры для выбранного режима работы транзистора и его рабочей частоты на основании справочных данных в миллисимменсах в виде (форме) суммы активной (Gxx ) и емкостной (Bxx =щCxx ) составляющих.

Проектирование и расчет структурной схемы радиоприемника начнем с выбора транзистора.

Выбор транзистора производится на основе следующих соображений:

1. Граничная частота транзистора должна быть больше, чем 20*fp

2. Тип транзистора – биполярный

В результате целенаправленного перебора различных марок транзистора, в качестве транзистора был выбран биполярный транзистор марки КТ-368

Расчет Y-параметров транзистора производился на основе программы RPUYP.

Исходные данные:

Рабочая частота сигнала: F = 40 МГц

Рабочая частота транзистора: 40 МГц

Тип транзистора: n-p-n

h21 = 100

fгр = 900 МГц

фк = 15 псек.

Ск = 1.7 пФ

Iк = 5 мА

W = 3 (коэф. технологичности)

Результаты расчета:

G11 = 3.5 мСм

G21 = S = 177 мА/В

G22 = 0.25 мСм

Таким образом, для дальнейших расчетов понадобятся следующие данные: G22 = 0.25 мСм

2. Расчет допустимого коэффициента шума приемника

Методика расчета ориентирована на достижение приемником максимальной чувствительности, ограниченной лишь собственными шумами и, соответственно не учитывает воздействия на антенну внешних помех, которые во многих случаях существенны (например, в сравнительно низкочастотных диапазонах). Поэтому найденный допустимый коэффициент шума должен превышать фактический (который будет найден в следующем разделе).

При заданной ЭДС Eа и параметрах сигнала (по Т.З.) в соответствии с программой RPUNS сначала рассчитывается допустимый коэффициент шума Шдоп по нижеследующим формулам. При несогласованно антенне (типа штыря) и отсутствия внешних помех:

Шдоп = Еа 2 /4kTo Пш DRa ,

где Ea – ЭДС в антенне, Ra – сопротивление (излучения + потерь) антенны, Ом – выбирается с учетом конкретного вида антенны (например, у штыря длинной порядка 1 м, Ra = 20…30 Ом и ЭДС Еа в нем может составлять единицы мкВ, в данном случае берем Ra = 20 Ом.)kT0 = 4*10-21 Вт / Гц, То = 293 град.

К – комнатная температура (20 град С), в данном случае 20 град С;

П – шумовая полоса линейного тракта РПУ (определяется преимущественно полосой пропускания ФСИ в тракте УПЧ), приближенно рассчитывается по эмпирической формуле Пш = 1.1 П0.7 , где П0.7 – полоса пропускания многоконтурного ФСИ на уровне 0.7 (неравномерность АЧХ 3 дБ), выбранная с учетом ширины спектра сигнала, в данном случае Пш = 201.36 кГц.

D – отношение сигнал/шум на выходе линейного тракта РПрУ (или на входе детектора), в данном случае 10 раз .

На основе программы RPUKN был проведен расчет допустимого коэффициента шума радиоприемного устройства в предположении только внутренних шумов.

Исходные данные:

Тип антенны: несогласованная

Вид модуляции: ЧМ

ЭДС в антенне Ea = 1.5 мкВ/м

Шумовая полоса Пш = 201.36 кГц

Отношение сигнал/шум перед детектором D = 16 раз

Частота модуляции Fв = 3.4 кГц, девиация частоты 5 кГц.

Индекс модуляции Им = 5/3.4 = 1.5

Рабочая частота F = 40 МГц

Результаты расчета:

В результате расчета было получено следующее значения допустимого коэффициента шума: Шдоп = 16 раз.

3. Расчет фактического коэффициента шума приемника

Коэффициент шума на БТ. Настроенная антенна.

Расчет производится для выбранной марки биполярного транзистора КТ-368.

После выбора транзистора, производится расчет его Y – параметров на рабочей частоте, которые используются для расчета фактического (реального) коэффициента шума приемника Ш = Шфакт , а также эквивалентной добротности (эквивалентного затухания) контуров входной цепи и в коллекторной цепи транзистора УВЧ.


Copyright © MirZnanii.com 2015-2018. All rigths reserved.