ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 25.10.2023
Просмотров: 82
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
СОДЕРЖАНИЕ
2 Проектирование структурной схемы радиоприемника (РПрУ)
2.1 Выбор и обоснование структурной схемы РПрУ
3 Электрический расчет принципиальной схемы и симуляция работы в среде Multisim блоков приёмника
3.1 Преселектор и усилитель высокой частоты РВП
3.2 Первый преобразователь частоты, фильтр усилителя первой промежуточной частоты
(3.23)
где значения
в МГц.
Подставив числовые значения получим:
Теперь можем определить и чувствительность приемника:
,
Сделаем вывод, коэффициент шума приемника по результатам расчета оказалась больше, чем значения внешних шумов. Это так, потому что коэффициент шума приемника зависит от частоты. Чувствительность в большей мере, зависит от внутреннего шума приемника.
В зависимости от назначения и степени универсальности радиоприемник имеет различные органы управления: для настройки на частоту нужного радиосигнала, для согласования уровня выходного сигнала и других параметров с требованиями потребителя принимаемой информации. Управление может быть ручным или автоматическим. Автоматическое управление выполняется по командам, введенным в программное управляющее устройство; функции человека при этом исключаются либо сводятся к включению управляющего устройства, например к нажатию клавиши и т.п.
Автоматические регулировки необходимы для обеспечения приема при быстро изменяющихся условиях, когда оператор не может действовать с достаточной быстротой и точностью, пользуясь ручными регуляторами. Кроме того, автоматизация позволяет упростить функции оператора либо вовсе исключить необходимость обслуживания приемной аппаратуры.
Функции регулировок усложняются, когда требуется обеспечить прием сложных сигналов при меняющихся условиях распространения и в сложной шумовой обстановке. Адаптация приемника к таким ситуациям для наиболее точного воспроизведения передаваемой информации представляет трудную задачу; оператор решает ее путем последовательных проб, которые требуют затраты времени и связаны с потерей части информации. Электронные автоматические регуляторы, основанные на применении быстродействующих микропроцессоров, решают эту задачу.
Основная тенденция развития всех видов техники, в том числе радиосвязи и радиовещания, – создание телеуправляемых и полностью автоматизированных систем. В этом случае все регулировки, необходимые для поддержания соответствия оборудования техническим требованиям, должны выполняться автоматически.
К наиболее распространенным автоматическим регулировкам приемников относят автоматическую регулировку усиления (АРУ) и автоматическую подстройку частоты (АПЧ).
Автоматическая регулировка усиления обеспечивает поддержание на выходе усилителя промежуточной частоты уровня сигнала, достаточно высокого и стабильного для воспроизведения сообщений от радиостанций различной мощности, находящихся на разных расстояниях и в меняющихся условиях распространения радиоволн. Благодаря простоте АРУ применяется почти во всех радиоприемниках.
Цепи АРУ могут включать следующие элементы приемника:
– усилители радио- и промежуточной частоты, приспособленные для
регулировки усиления изменением регулирующего напряжения;
– детекторы для получения регулирующих напряжений путем выпрямления сигнала;
– дополнительные усилители для увеличения регулирующего напряжения при необходимости повысить эффективность АРУ;
– цепи, обеспечивающие пороговое напряжение для получения регулировки с задержкой;
– фильтры нижних частот для подавления продуктов модуляции сигнала в цепях регулирующих напряжений.
Типичные упрощенные схемы АРУ представлены на рисунке - 3.15. В варианте на рисунке - 3.15, а регулирующее напряжение формируется в результате выпрямления напряжения усиленного сигнала с выхода усилителя. Напряжение от детектора Д подается через дополнительный усилитель У и фильтр нижних частот Ф в направлении, обратном направлению прохождения сигнала в регулируемом усилителе. Со стороны выхода оно действует на предшествующие усилительные каскады, поэтому такая регулировка называется обратной АРУ. Усилитель У может быть включен и до детектора Д. Если напряжение на выходе регулируемого усилителя достаточно велико, то этот усилитель не применяют.
В цепи обратной АРУ усиление регулируется благодаря изменению регулирующего напряжения Uрег, которое, в свою очередь, изменяется в результате изменения напряжения сигнала на выходе регулируемого усилителя. Следовательно, в цепи обратной АРУ неизбежно и необходимо некоторое изменение выходного напряжения. При правильном выборе параметров цепи это изменение не выходит за допустимые пределы.
В схеме на рисунке - 3.15,б регулирующее напряжение вырабатывается в результате усиления и выпрямления входного напряжения и действует в том же «прямом» направлении, в котором проходит принимаемый сигнал в регулируемом усилителе. Соответственно такая цепь называется
прямой АРУ. В отличии от обратной АРУ, здесь регулирующее напряжение не зависит от напряжения на выходе усилителя, т.е. имеется теоретическая возможность полного постоянства выходного напряжения. На практике реализовать эту возможность не удается. Как было выяснено, условие постоянства выходного напряжения состоит в строго определенном законе изменения коэффициента усиления при изменении напряжения на входе. В реальных условиях коэффициент усиления регулируют цепями, свойства которых зависят от регулирующего напряжения. Эту зависимость обеспечивают нелинейные элементы, но их характеристики определяются спецификой происходящих в них сложных физических процессов и управлять формой этих характеристик можно лишь в очень слабой степени.
Рисунок 3.15 — Структурная схема построения «обратной» АРУ и амплитудные характеристики усилителя без АРУ, с простой АРУ и с АРУ с задержкой
Для расчета действия АРУ и РРУ воспользуемся пакетом MultiSim.
Рисунок 3.16 – Схема РРУ
Рисунок 3.17 – Схема АРУ
Результаты моделирования приведем в виде рисунков 3.18, 3.19 и 3.20
Рисунок 3.18 – Осциллограмма автоматической регулировки усиления
Из осциллограммы выпишем уровни сигнала: на входе АРУ
Uвх=988,077∙10-6В, на выходе АРУ Uвых=1,180В.
По ним определим действие автоматической регулировки усиления при изменении уровня сигнала на выходе:
Получивщиеся значение соответствует ГОСТ 5651-89: действие АРУ при изменении уровня сигнала на выходе не более 10 дБ.
Рисунок 3.19 — Осциллограмма автоматической регулировки усиления
Из осциллограммы выпишем уровни изменений входного сигнала: Uвх1=988,077∙10-6В, Uвх2=9,999∙10-3В.
По ним определим действие автоматической регулировки усиления при изменении уровня сигнала на входе:
Получивщиеся значение соответствует ГОСТ 5651-89: действие АРУ при изменении уровня сигнала на выходе 46 дБ.
Рисунок 3.20 – Осциллограмма ручной регулировки усиления
Из осциллограммы выпишем уровни сигнала: на входе
Uвх=993,961∙10-6В, на выходе Uвых=4,429∙10-3В.
По ним рассчитаем глубину ручной регулировки усиления в децибелах:
Получивщиеся значение соответствует глубине РРУ по техническому заданию.
Усилитель второй промежуточной частоты, который подавляет частоты соседнего канала, а также последующие блоки приемника обработки сигнала построены на цифровых устройствах.
Достоинств такой комбинированной обработки сигнала множество. К таким достоинствам относится селекция полезного сигнала. В виду того что соседний канал расположен очень близко к основному каналу, избирательность должна быть точной. При построении аналоговых радиоприемных устройств добиться необходимого результата крайне важно, а в некоторых случаях даже невозможно.
Применение цифровых устройств решает такую проблему с легкостью.
Преобразование непрерывного сигнала в цифровую форму, возможно только с использованием аналого- цифровой преобразователя (АЦП).
Требования к данным устройствам также велики как и к остальным устройствам. К разрядности АЦП тоже приводят огромное требование. Чем выше разрядность АЦП, тем выше качество приема, но для обработки сигнала необходим мощный процессор, что в свою очередь приводит к увеличению энергопотребления. Поэтому, для достижения нужного результата используют некий компромисс между разрядностью АЦП и процессором.
Но для функционирования АЦП необходимо определенное значение напряжения, которое является пороговым. Данное значение напряжения описывается требованием АЦП как младший значащий разряд (МЗР) (Least significant bit (LSB)) который у каждого АЦП свой.
Как правило в современных радиоприемных устройствах применяют 8-14(а то и больше) разрядные АЦП. При конструировании инфрадинного приемника с высоким классом точности с технологией программно-определяемого радиоприема, обычно применяют высокоразрядные АЦП. Одним из популярных аналого-цифровых преобразователей является AD9644 производителем которого является фирма «Analog Devices». Разрядность у данного АЦП равна 14, а значение МЗР 1,8 В.
Процесс преобразования сигнала осуществляется в два этапа. Первый этап – дискретизация по времени непрерывного сигнала
u(t). В итоге получим последовательность импульсов- отсчетов, следующих с шагом Δt.
Второй – этап оцифровка каждого отсчета. Диапазон возможных значений напряжений (umin, umax)делится на Mинтервалов длиной
Δu=(umax- umin)/M(2.24)
каждый. Величина Δuназывается шагом квантования по уровню. Далее интервалы нумеруют M- ичными цифрами снизу вверх, начиная с цифры 0.
Определим частоту дискретизации по теореме Котельникова:
Fk= 2∙Fв, (2.25)
Fk= 2∙17,725∙106= 35,45∙106 отсчетов/с.
Теперь найдем шаг квантования по уровню, используя значения Umax=4,249∙10-3 В, Umin= -4,249∙10-3 В.
umax- umin = (4,249∙10-3 + 4,249∙10-3 В)= 8,5∙10-3 В,
Значение M выбираем равным 16384, так как 214= 16384:
Δu=8,5∙10-3 / 16384= 5,19∙10-7.
По технической спецификации к данному аналого-цифровому преобразователю, определим значение младшего значащего разряда. МЗР для данного АЦП равен 1,8 В. То есть, для нормального функционирования как АЦП, так и всей системы в целом, необходимо усилить напряжение на входе антенны как минимум до уровня МЗР.
Бюджет усиления АЦП – минимальное разрешающее напряжение на входе АЦП, которое усилено в преселекторе и УПЧ. Значение напряжения на входе преселектора равно 1 мВ. Вычислим бюджет усиления АЦП:
K=1,8 /1∙10-3=1330 раз=31,55 дБ.
В данной работе был выполнен расчет, который позволил выбрать и обосновать спроектированную структурную схему радиоприемного устройства по исходным данным технического задания. Произведен расчет электрической принципиальной схемы УПЧ приемного устройства и самого приемника.
Данный супергетеродинное приемное устройство амплитудно-модулированных сигналов в результатах моделирования отвечает требованиям, заданных в техническом заданий курсового проекта.
где значения
в МГц.Подставив числовые значения получим:
Теперь можем определить и чувствительность приемника:
, Сделаем вывод, коэффициент шума приемника по результатам расчета оказалась больше, чем значения внешних шумов. Это так, потому что коэффициент шума приемника зависит от частоты. Чувствительность в большей мере, зависит от внутреннего шума приемника.
3.4 Система АРУ
В зависимости от назначения и степени универсальности радиоприемник имеет различные органы управления: для настройки на частоту нужного радиосигнала, для согласования уровня выходного сигнала и других параметров с требованиями потребителя принимаемой информации. Управление может быть ручным или автоматическим. Автоматическое управление выполняется по командам, введенным в программное управляющее устройство; функции человека при этом исключаются либо сводятся к включению управляющего устройства, например к нажатию клавиши и т.п.
Автоматические регулировки необходимы для обеспечения приема при быстро изменяющихся условиях, когда оператор не может действовать с достаточной быстротой и точностью, пользуясь ручными регуляторами. Кроме того, автоматизация позволяет упростить функции оператора либо вовсе исключить необходимость обслуживания приемной аппаратуры.
Функции регулировок усложняются, когда требуется обеспечить прием сложных сигналов при меняющихся условиях распространения и в сложной шумовой обстановке. Адаптация приемника к таким ситуациям для наиболее точного воспроизведения передаваемой информации представляет трудную задачу; оператор решает ее путем последовательных проб, которые требуют затраты времени и связаны с потерей части информации. Электронные автоматические регуляторы, основанные на применении быстродействующих микропроцессоров, решают эту задачу.
Основная тенденция развития всех видов техники, в том числе радиосвязи и радиовещания, – создание телеуправляемых и полностью автоматизированных систем. В этом случае все регулировки, необходимые для поддержания соответствия оборудования техническим требованиям, должны выполняться автоматически.
К наиболее распространенным автоматическим регулировкам приемников относят автоматическую регулировку усиления (АРУ) и автоматическую подстройку частоты (АПЧ).
Автоматическая регулировка усиления обеспечивает поддержание на выходе усилителя промежуточной частоты уровня сигнала, достаточно высокого и стабильного для воспроизведения сообщений от радиостанций различной мощности, находящихся на разных расстояниях и в меняющихся условиях распространения радиоволн. Благодаря простоте АРУ применяется почти во всех радиоприемниках.
Цепи АРУ могут включать следующие элементы приемника:
– усилители радио- и промежуточной частоты, приспособленные для
регулировки усиления изменением регулирующего напряжения;
– детекторы для получения регулирующих напряжений путем выпрямления сигнала;
– дополнительные усилители для увеличения регулирующего напряжения при необходимости повысить эффективность АРУ;
– цепи, обеспечивающие пороговое напряжение для получения регулировки с задержкой;
– фильтры нижних частот для подавления продуктов модуляции сигнала в цепях регулирующих напряжений.
Типичные упрощенные схемы АРУ представлены на рисунке - 3.15. В варианте на рисунке - 3.15, а регулирующее напряжение формируется в результате выпрямления напряжения усиленного сигнала с выхода усилителя. Напряжение от детектора Д подается через дополнительный усилитель У и фильтр нижних частот Ф в направлении, обратном направлению прохождения сигнала в регулируемом усилителе. Со стороны выхода оно действует на предшествующие усилительные каскады, поэтому такая регулировка называется обратной АРУ. Усилитель У может быть включен и до детектора Д. Если напряжение на выходе регулируемого усилителя достаточно велико, то этот усилитель не применяют.
В цепи обратной АРУ усиление регулируется благодаря изменению регулирующего напряжения Uрег, которое, в свою очередь, изменяется в результате изменения напряжения сигнала на выходе регулируемого усилителя. Следовательно, в цепи обратной АРУ неизбежно и необходимо некоторое изменение выходного напряжения. При правильном выборе параметров цепи это изменение не выходит за допустимые пределы.
В схеме на рисунке - 3.15,б регулирующее напряжение вырабатывается в результате усиления и выпрямления входного напряжения и действует в том же «прямом» направлении, в котором проходит принимаемый сигнал в регулируемом усилителе. Соответственно такая цепь называется
прямой АРУ. В отличии от обратной АРУ, здесь регулирующее напряжение не зависит от напряжения на выходе усилителя, т.е. имеется теоретическая возможность полного постоянства выходного напряжения. На практике реализовать эту возможность не удается. Как было выяснено, условие постоянства выходного напряжения состоит в строго определенном законе изменения коэффициента усиления при изменении напряжения на входе. В реальных условиях коэффициент усиления регулируют цепями, свойства которых зависят от регулирующего напряжения. Эту зависимость обеспечивают нелинейные элементы, но их характеристики определяются спецификой происходящих в них сложных физических процессов и управлять формой этих характеристик можно лишь в очень слабой степени.
Рисунок 3.15 — Структурная схема построения «обратной» АРУ и амплитудные характеристики усилителя без АРУ, с простой АРУ и с АРУ с задержкой
Для расчета действия АРУ и РРУ воспользуемся пакетом MultiSim.
Рисунок 3.16 – Схема РРУ
Рисунок 3.17 – Схема АРУ
Результаты моделирования приведем в виде рисунков 3.18, 3.19 и 3.20
Рисунок 3.18 – Осциллограмма автоматической регулировки усиления
Из осциллограммы выпишем уровни сигнала: на входе АРУ
Uвх=988,077∙10-6В, на выходе АРУ Uвых=1,180В.
По ним определим действие автоматической регулировки усиления при изменении уровня сигнала на выходе:
Получивщиеся значение соответствует ГОСТ 5651-89: действие АРУ при изменении уровня сигнала на выходе не более 10 дБ.
Рисунок 3.19 — Осциллограмма автоматической регулировки усиления
Из осциллограммы выпишем уровни изменений входного сигнала: Uвх1=988,077∙10-6В, Uвх2=9,999∙10-3В.
По ним определим действие автоматической регулировки усиления при изменении уровня сигнала на входе:
Получивщиеся значение соответствует ГОСТ 5651-89: действие АРУ при изменении уровня сигнала на выходе 46 дБ.
Рисунок 3.20 – Осциллограмма ручной регулировки усиления
Из осциллограммы выпишем уровни сигнала: на входе
Uвх=993,961∙10-6В, на выходе Uвых=4,429∙10-3В.
По ним рассчитаем глубину ручной регулировки усиления в децибелах:
Получивщиеся значение соответствует глубине РРУ по техническому заданию.
3.5 Блок АЦП
Усилитель второй промежуточной частоты, который подавляет частоты соседнего канала, а также последующие блоки приемника обработки сигнала построены на цифровых устройствах.
Достоинств такой комбинированной обработки сигнала множество. К таким достоинствам относится селекция полезного сигнала. В виду того что соседний канал расположен очень близко к основному каналу, избирательность должна быть точной. При построении аналоговых радиоприемных устройств добиться необходимого результата крайне важно, а в некоторых случаях даже невозможно.
Применение цифровых устройств решает такую проблему с легкостью.
Преобразование непрерывного сигнала в цифровую форму, возможно только с использованием аналого- цифровой преобразователя (АЦП).
Требования к данным устройствам также велики как и к остальным устройствам. К разрядности АЦП тоже приводят огромное требование. Чем выше разрядность АЦП, тем выше качество приема, но для обработки сигнала необходим мощный процессор, что в свою очередь приводит к увеличению энергопотребления. Поэтому, для достижения нужного результата используют некий компромисс между разрядностью АЦП и процессором.
Но для функционирования АЦП необходимо определенное значение напряжения, которое является пороговым. Данное значение напряжения описывается требованием АЦП как младший значащий разряд (МЗР) (Least significant bit (LSB)) который у каждого АЦП свой.
Как правило в современных радиоприемных устройствах применяют 8-14(а то и больше) разрядные АЦП. При конструировании инфрадинного приемника с высоким классом точности с технологией программно-определяемого радиоприема, обычно применяют высокоразрядные АЦП. Одним из популярных аналого-цифровых преобразователей является AD9644 производителем которого является фирма «Analog Devices». Разрядность у данного АЦП равна 14, а значение МЗР 1,8 В.
Процесс преобразования сигнала осуществляется в два этапа. Первый этап – дискретизация по времени непрерывного сигнала
u(t). В итоге получим последовательность импульсов- отсчетов, следующих с шагом Δt.
Второй – этап оцифровка каждого отсчета. Диапазон возможных значений напряжений (umin, umax)делится на Mинтервалов длиной
Δu=(umax- umin)/M(2.24)
каждый. Величина Δuназывается шагом квантования по уровню. Далее интервалы нумеруют M- ичными цифрами снизу вверх, начиная с цифры 0.
Определим частоту дискретизации по теореме Котельникова:
Fk= 2∙Fв, (2.25)
Fk= 2∙17,725∙106= 35,45∙106 отсчетов/с.
Теперь найдем шаг квантования по уровню, используя значения Umax=4,249∙10-3 В, Umin= -4,249∙10-3 В.
umax- umin = (4,249∙10-3 + 4,249∙10-3 В)= 8,5∙10-3 В,
Значение M выбираем равным 16384, так как 214= 16384:
Δu=8,5∙10-3 / 16384= 5,19∙10-7.
По технической спецификации к данному аналого-цифровому преобразователю, определим значение младшего значащего разряда. МЗР для данного АЦП равен 1,8 В. То есть, для нормального функционирования как АЦП, так и всей системы в целом, необходимо усилить напряжение на входе антенны как минимум до уровня МЗР.
Бюджет усиления АЦП – минимальное разрешающее напряжение на входе АЦП, которое усилено в преселекторе и УПЧ. Значение напряжения на входе преселектора равно 1 мВ. Вычислим бюджет усиления АЦП:
K=1,8 /1∙10-3=1330 раз=31,55 дБ.
Заключение
В данной работе был выполнен расчет, который позволил выбрать и обосновать спроектированную структурную схему радиоприемного устройства по исходным данным технического задания. Произведен расчет электрической принципиальной схемы УПЧ приемного устройства и самого приемника.
Данный супергетеродинное приемное устройство амплитудно-модулированных сигналов в результатах моделирования отвечает требованиям, заданных в техническом заданий курсового проекта.
Список литературы
-
Проектирование радиоприемных устройств. Под редакцией А. П. Сиверса. Учебное пособие для вузов. – М., Сов. Радио, 1976 – 488 с. -
Бакеев Д.А., Дуров А.А., Ильюшко С.Г., Марков В.А., Парфёнкин А.И. Прием и обработка информации. Курсовое проектирование устройств приема и обработки информации: Учебное пособие. – Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2007. – 151 с. -
Румянцев К.Е. Прием и обработка сигналов: Учеб.пособие для студ. высш. учеб.заведений/ - М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 528с. -
Подлесный С. А. – электронное учебное пособие/ Устройства приема и обработки сигналов – Красноярск: ИПК СФУ, 2008 -
ГОСТ 5651-89 Аппаратура радиоприёмная бытовая