Устройства приема и обработки сигналов
1. Проектирование структурной схемы приемника.
1.1. Выбор структурной схемы приемника.
1.2. Расчет полосы пропускания. Определение требований к системе АПЧ.
1.3. Выбор промежуточной частоты.
1.4. Выбор схемы преселектора по требованиям к чувствительности.
1.5. Выбор схемы преселектора по требованиям к избирательности.
1.6. Выбор избирательных систем тракта промежуточной частоты.
1.7. Выбор транзисторов и расчет их параметров.
1.8. Выбор и распределение усиления приемника.
1.9. Эскизный расчет УНЧ.
1.10. Предварительный расчет источников питания.
1.11. Результаты расчета структурной схемы.
2. Электрический расчет линейного тракта приемника.
2.1. Расчет входной цепи.
2.2. Расчет усилителя радиочастоты.
2.3. Расчет усилителя промежуточной частоты.
2.4. Расчет преобразователя частоты.
2.5. Расчет частотного детектора.
2.6. Расчет автоматической подстройки частоты.
2.7. Расчет гетеродина.
2.8. Расчет сопряжения настроек гетеродина и преселектора.
2.9. Расчет усилителя низкой частоты.
2.10. Составление принципиальной электрической схемы приемника.
Введение
Радиоприемное устройство тАУ одно из важнейших и необходимых элементов любой радиотехнической системы передачи сообщений. Оно обеспечивает: улавливание энергии электромагнитного поля, несущего полезную информацию; усиление мощности сигнала и преобразование его в сообщение, поступающее к получателю. В месте приема существуют посторонние электромагнитные поля, создаваемые источниками радиопомех естественного и искусственного происхождения. Эти электромагнитные поля искажают полезный сигнал и вызывают ошибки в приеме сообщений.
В связи с насыщением окружающего пространства радиотехническими средствами неизбежно увеличивается уровень радиопомех искусственного происхождения, возможно также появление умышленных радиопомех. В этих условиях обеспечение высокой достоверности приема сообщений становится более сложным. Необходимая достоверность приема сообщений может быть реализована только на основе комплексного подхода к построению помехоустойчивых систем передачи сообщений. А также учитывая, что реальные условия приема сигналов изменяются во времени, структура приемника и режимы его элементов должны оптимизироваться с целью обеспечить минимальную величину ошибки в приеме сообщений. Поэтому в приемнике предусматриваются автоматические регулировки усиления, избирательности, формы характеристик, обеспечивающие адаптацию приемника к изменяющимся условиям приема сигналов.
Таким образом, современное профессиональное радиоприемное устройство представляет собой адаптивный комплекс элементов, обеспечивающий оптимальную обработку смеси полезного сигнала и радиопомех. Этот комплекс обеспечивает три операции: 1) улавливание электромагнитных колебаний полезного радиосигнала из окружающего пространства и передачу их приемнику; 2) оптимальную обработку смеси сигнала и радиопомех с целью выделения первичного электрического сигнала, соответствующего сообщению (выделение спектра полезного сигнала, усиление, детектирование, декодирование); 3) преобразование первичного электрического сигнала в сообщение.
В соответствии с указанным структурная схема любого радиоприемного устройства содержит приемную антенну (А), приемник (Пр) и выходной прибор (ВП), рис.1.
Рисунок 1.
Первая из указанных операций выполняется антенной, вторая тАУ приемником и третья тАУ выходным прибором.
На рис.2 приведена структура деления приемных устройств.
По основному назначению тАУ радиовещательные и профессиональные.
Группа радиовещательных приемных устройств отличается относительно простыми техническими решениями задач приема сообщений, ибо массовый выпуск радиовещательных приемников с особой остротой диктует экономическую целесообразность подобного подхода к разработкам.
Группа профессиональных приемных устройств отличается более сложными техническими решениями, так как эти устройства работают преимущественно с одним радиопередатчиком и затраты на приемное и передающее оборудование могут быть равноценными.
Каждая из групп, в свою очередь, делится на подгруппы, каждая из указанных подгрупп может быть разделена на подгруппы и т.д. (рис.2)
Рисунок 2.
По роду работы тАУ радиотелефонные; радиотелеграфные тАУ слухового, пишущего или буквопечатающего приема; фототелеграфные и др.
По виду модуляции, используемой на линии связи, - приемники амплитудно-модулированных, частотно-модулированных, фазомодулированных, импульсно-модулированных, однополосных и комбинированных сигналов.
По диапазону принимаемых волн тАУ ДВ, СВ, КВ, УКВ, СВЧ и т.д.
По способу построения тракта усиления сигналов до детектора существуют приемники прямого усиления и супергетеродинные с однократным, двухкратным либо многократным преобразованием частоты.
По способу питания тАУ с автономным питанием от аккумуляторных или сухих батарей; сетевые, питаемые от сети постоянного или переменного тока; с универсальным питанием.
По месту установки тАУ стационарные, передвижные, самолетные, корабельные, автомобильные и др.
1. Проектирование структурной схемы приемника
1.1. Выбор структурной схемы приемника
В качестве структурной схемы проектируемого приемника была выбрана схема супергетеродинного приемника с однократным преобразованием частоты. Данный выбор основан на том, что схема прямого усиления не может обеспечить заданные показатели чувствительности и избирательности, схема прямого преобразования сложна в проектировании и главной проблемой является трудность синхронизации колебаний местного гетеродина с принимаемым сигналом с точностью до фазы. А схема супергетеродинного приемника позволяет получить хорошую избирательность, поскольку основная селекция происходит на более низкой частоте, по сравнению с принимаемым сигналом и добиться высокой чувствительности.
Структурная схема супергетеродинного приемника с однократным преобразованием частоты приведена на рис.3.
Рисунок 3.
Проектирование структурной схемы приемника традиционно подразделяется на проектирование тракта высокой частоты (ВЧ) и низкой частоты (НЧ). Назначение ВЧ тракта заключается в частотно-избирательном усилении полезного сигнала с целью выделения его из совокупности мешающих колебаний, воздействующих на вход приемника, и доведения его уровня до значения, обеспечивающего заданный режим работы детектора сигнала. Назначение тракта НЧ сводится к усилению без искажений выходного напряжения детектора сигнала для получения на выходе приемника заданных значений выходного напряжения или выходной мощности.
Тракт ВЧ супергетеродинного приемника состоит из трактов радиочастоты и промежуточной частоты. Входящие в них каскады имеют определенное функциональное назначение.
Назначение входной цепи (ВЦ) тАУ предварительная селекция и передача энергии полезного сигнала от антенны ко входу первого каскада с наименьшими потерями и искажениями. Вместе с фильтрами усилителя радиочастоты (УРЧ) ВЦ обеспечивает требуемую избирательность по зеркальному, прямому и другим побочным каналам приема. В диапазоне УКВ обычно применяют одноконтурные ВЦ в режиме оптимального согласования по шумам, в следствии получения максимальной чувствительности.
Назначение УРЧ тАУ уменьшение коэффициента шума приемника, дополнительное подавление зеркального, прямого и других побочных каналов приема, усиление полезного сигнала. В каскадах УРЧ чаще всего применяют одноконтурные фильтры, а коэффициент усиления выбирают небольшим, чтобы избежать избыточного усиления мешающих сигналов, попадающих в полосу пропускания преселектора, которые могут быть причиной появления перекрестных и интермодуляционных искажений в следующем каскаде. Поэтому число каскадов УРЧ выбирают не больше одного тАУ двух, а общий коэффициент усиления не более 5-10.
Назначение усилителя промежуточной частоты (УПЧ) тАУ обеспечение избирательности приемника по соседним каналам приема и основного усиления приемника до детектора. Кроме того, фильтры УПЧ определяют полосу пропускания и форму АЧХ ВЧ тракта приемника.
1.2. Расчет полосы пропускания. Определение требований к системе АПЧ
Характеристики радиоприемника должны быть в возможно большей степени согласованы с характеристиками спектра принимаемого сигнала. Полоса пропускания, форма АЧХ и ФЧХ в пределах полосы и прилегающих областях должны удовлетворять требованиям сохранения параметров сигнала в пределах допустимых искажений.
Для радиовещательных приемников обычно считается допустимой подстройка при приеме, при этом полоса пропускания ВЧ тракта выбирается равной реальной ширине спектра принимаемого сигнала. Реальная ширина спектра сигнала Пс зависит как от вида модуляции, так и от вида передаваемого сигнала и определяется по формуле 1.2.1. [1] для частотно модулированных сигналов: