Работа ЧМ приемника

Введение

Радиоприемные устройства входят в состав радиотехнических систем связи, т.е. систем передачи информации с помощью электромагнитных волн

Радиоприемное устройство состоит из приемной антенны, радиоприемника и оконечного устройства предназначенного для воспроизведения  сигналов. Радиоприемники можно классифицировать по ряду признаков, из которых основными  являются: тип схемы, вид принимаемых  сигналов, назначение приемника, диапазон частот, вид активных элементов, используемых в приемнике, тип конструкции  приемника.

По типу схем различают приемники детекторные, прямого усиления (без регенерации  и с регенерацией), сверхрегенеративные  и супергетеродинные приемники, обладающие существенными преимуществами перед приемниками других типов  и широко применяемые на всех диапазонах приемников.

Принимаемые сигналы служат для передачи сообщений  или измерения положения и  параметров относительного движения объектов. Сигналы могут передавать сообщения  от одного источника или нескольких. Для передачи информации используется изменение одного из параметров сигнала  по закону изменения информационного  сигнала. Используются: непрерывные  колебания с изменяемой (модулированной) амплитудой, частотой или фазой; колебания, скачкообразно изменяемые (манипулированные) по амплитуде, частоте, или разности фаз; колебания с изменяемой амплитудой, частотой или фазой, которые обусловлены  видеоимпульсами с амплитудной, широтной, временной, или дельта-модуляцией, а также кодовыми группами видеоимпульсов.

Приемники конструктивно выполняются из отдельных (навесных) активных и пассивных  элементов с печатным или объемным монтажом или из готовых интегральных микросхем, представляющих собой каскады, узлы приемников и даже целые приемники.

Расчет структурной схемы

В данной работе задан диапазон автомобильного приемника УКВ (3-30000МГц) Данный устройство должно быть спроектирован из нескольких блоков, которые в результате захватят весь диапазон и оперативно будут переключаться между собой.

Рассчитаем  и спроектируем приемник с рабочим  диапазоном   76-108 МГц

Рис.1 Структурная  схема ЧМ приемника.

Приемник  состоит из следующих узлов:

ВЦ –  входная цепь

УРЧ –  усилитель радиочастоты

См. –  смеситель

Гет. –  гетеродин

УПЧ –  усилитель промежуточной частоты

ЧД –  частотный детектор

АПЧ –  автоматическая подстройка частоты

ОУ –  оконечный усилитель

 

Расчет полосы пропускания линейного  тракта приемника

Расчет  полосы пропускания

Полоса  пропускания определяется по формуле:

П=П_с+П_з+2∆f_д;

где П_с – полоса принимаемого сигнала,

П_з – запас полосы на нестабильность частот передатчика и приемника, а так же неточную настройку приемника,

∆f_д – доплеровское смещение частоты;

Полоса  сигнала при частотной модуляции

П_с=2(∆f_{max ч}+ F_max) ,

где  ∆f_{max ч} – максимальная девиация частоты сигнала,

        F_max – верхняя модулирующая частота.

П_с=2(50∙10³+10∙10³)=120 кГц.

Учтем нестабильность сигнала и гетеродина

П_з=2√((b_сf_с)²+(b_гf_г)²);

где b_с, b_г – относительные нестабильности сигнала и гетеродина,

  f_г – частота гетеродина.

Для обеспечения  избирательности по зеркальному  каналу выбрали промежуточную частоту:

f_п=10,7 МГц,

f_г=f_с- f_п,

f_c – средняя частота сигнала (f_c=92∙10⁶ Гц)

f_г=92∙10⁶-10,7∙10⁶=81,3∙10⁶ Гц;

П_з=2√((10^-5∙92∙10⁶)²+(10^-5∙81,3∙10⁶)²)=2455Гц;

Доплеровское  смещение частоты сигнала равно:

Примем  скорость движения автомобиля 16,7 м/с (60км/ч), тогда получаем

Применим  в приемнике автоподстройку частоты  с коэффициентом 

Полоса  пропускания с учетом АПЧ:

 кГц

Полоса  пропускания преселектора:

 кГц

 

Расчет чувствительности.

Вычислим допустимый коэффициент  шума:

где Е_а=4,8·10^-6-ЭДС сигнала в антенне(необходимо учесть длину антенны);

γ_вх- отношение с/ш на входе приемника;

П_ш=1,1П – шумовая полоса линейного тракта;

Т₀=290К – стандартная температура приемника;

к=1,38Дж/град – постоянная Больцмана;

R_а =150 Ом – внутреннее сопротивление приемной антенны(учтем длину);

где γ_вых=26дБ=20раз – отношение с/ш на выходе приемника;

В_ЧД и В_ЧД - выигрыши в отношение с/ш, даваемые системой ограничителей частотный детектор и фильтром компенсации предыскажений, равные

 где 

 где 

 

Расчет избирательности  по зеркальному и прямому каналу

 

Избирательность преселектора супергетеродинного приемника  обеспечивает ослабление мешающих сигналов по зеркальному и прямому каналам  приема. Произведём расчёт количества контуров преселлектора:

Эквивалентная добротность контура  ВЦ:

Qэ = Qк/q = 200/1,3 , Qэ =153,8

где Q_к = 200 – конструктивная добротность;

q = 1,3 –коэффициент шунтирования контуров полевыми транзисторами.

Эквивалентное затухание контура  входной цепи равно:

dэ = 1/Qэ = 1/153,8 dэ = 0,0065

В качестве первого контура будет использоваться одноконтурный полосовой фильтр настроенный на среднюю частоту  диапазона:

f0 = (fmax + fmin)/2 = (108 +76)106/2, f0 = 92 МГц.

На такой частоте добротность  контура ВЦ равна:

Qэвц = f0/(fmax – fmin)= 92.106/(108-76)106, Qэвц = 2,875.

Обобщенная расстройка зеркального  канала одноконтурной ВЦ

Избирательность по зеркальному каналу одноконтурной ВЦ

Основную  избирательность будет осуществлять двухконтурный полосовой фильтр, находящийся в нагрузке УРЧ. Обобщенная расстройка по зеркальному каналу второго контура:

где Q_эурч = Q_э = 153,8 – эквивалентная добротность контура УРЧ

Избирательность по зеркальному каналу второго контура(учтем что полосовой фильтр двухконтурный):

Суммарное ослабление по зеркальному  каналу преселектора:

Seзк = Seзквц + Seзкурч = 8 + 59,67 , Seзк = 67,67 Дб.

Избирательность по прямому каналу так же будет  рассчитываться в наихудшей точке.

Обобщенная расстройка по прямому  каналу контура ВЦ

 

Избирательность по прямому каналу контура ВЦ

Обобщенная расстройка по прямому  каналу второго контура:

Избирательность по прямому каналу второго контура:

Суммарное ослабление по прямому каналу преселектора:

Seпк = Seпквц + Seпкурч = 60.6 +20 Seпк = 80,6 дБ.

Коэффициент частотных искажений  контуров преселектора:

В итоге суммарно получаем на преселектор  =1.612 дБ

 

 

Расчет избирательности по соседнему  каналу

 

Основным  назначением УПЧ являются фильтрация полезного сигнала при заданных избирательных свойствах системы  и обеспечение необходимого усиления для создания условий для нормальной работы детектора. При высоких требованиях  к избирательности и прямоугольности  АЧХ применяют двухконтурные  полосовые фильтры (ДПФ). УПЧ с  ДПФ имеют хорошую прямоугольность  АЧХ и большой коэффициент  усиления.

Контура, осуществляющие заданную избирательность  по соседнему каналу приема S_eск = 55 дБ, должны обеспечивать полосу пропускания П = 120 КГц и частотные искажения σ_упч = 3 дБ (σ_упч ≤ 4 – 8 дБ).

Определим необходимое эквивалентное затухание  контуров для того, чтобы обеспечить необходимую избирательность и  полосу пропускания по формуле 2.73 из [4]. Для этого предварительно зададимся  количеством ДПФ, равным 5:

где N = 5 – количество ДПФ.

Проверим, удовлетворяет ли число ДПФ равное 5 избирательности по соседнему каналу:

где Δf_ск = 250 КГц – расстройка соседнего канала

Полученное  значение S_eск > 55 дБ, значит число ДПФ обеспечивает заданную избирательность по соседнему каналу.

Эквивалентная добротность ДПФ, необходимая для  получения полосы П = 120 кГц, равна:

 

 

 

Выбор и распределение усиления приемника

 

При приеме на антенну типа штырь, в диапазоне  УКВ коэффициент усиления ВЧ тракта:

где U_{вхтрдет} = 4 мВ –  амплитуда сигнала на входе;

Е_ар = 4 мкВ – реальная чувствительность приемника (по ТЗ).

Усиление  ВЧ тракта выбирают с запасом:

Квч= Квчmin.Кзап=707.1,5, Квч = 1060,

где К_зап = 1,5 – коэффициент запаса усиления (производственный запас).

Общее усиление ВЧ – тракта супергетеродинного приемника  с однократным преобразованием  частоты равно произведению коэффициентов  усиления отдельных каскадов:

Квч = Квц∙Курч∙Кпч∙Купч   ,

где К_вц, К_урч, К_пч, К_упч - коэффициент передачи ВЦ, УРЧ,  УПЧ.

Проведем  расчет количества усилительных каскадов необходимых нам для получения  требуемого усиления по напряжению.

Коэффициент усиления преселектора по напряжению:

Кпр = КвцКурч = 0,5∙10,2  , Кпр = 5,1     ,

где К_вц = 0,5 ;

Для предотвращения перегрузки ПЧ сильными помехами с  малой расстройкой принимают  К_пч ≈ 0,1К_упч.

n - каскадов УПЧ, включая преобразователь частоты, должны обеспечить усиление равное:

При расчете  коэффициента устойчивого усиления на промежуточной частоте К_оуст=17,2. Примем коэффициент усиления преобразователя частоты до К_пч = 0,4^.К_упч, это позволит снизить количество усилительных каскадов и получить требуемое усиление Квч.

Проведём  расчёт числа каскадов УПЧ:

Коэффициент усиления трёх каскадов УПЧ при этом равен:

0,4.Купч3 = 0,4.17,2.17,2, 0,4.Купч3 = 118,336.