Разработка SSB-приемника

Разработка SSB-приемника

1. Предварительный расчет РПУ

.1 Выбор структуры радиоприемника

Существует три структурные схемы радиоприемников: детекторная, прямого усиления и супергетеродинная.

Наиболее простым является принцип построения приемника прямого детектирования (детекторного), структурная схема которого представлена на рисунке 1.1

Рисунок 1.1 - Приемник прямого детектирования

Входная цепь (ВЦ) в виде резонансной системы или фильтра обеспечивает частотную избирательность радиоприемного устройства (РПУ), настройка на частоту принимаемого сигнала осуществляется перестройкой или переключением ВЦ. Принципиальным моментом является отсутствие усиления сигнала до детектора (Д) и после детектора, ведущее к серьезному упрощению устройства приемника, но одновременно обуславливающее его низкую чувствительность и избирательность.

Введением усилителей радиочастоты и звуковой частоты можно добиться повышения чувствительности приемника, так построены приемники прямого усиления (рисунок 1.2).

ВЦ и резонансные контура УРЧ настроены на частоту принимаемого радиосигнала, на которой и осуществляется усиление. Перестройка такого приемника по частоте требует согласованной перестройки всех резонансных систем ВЦ и УРЧ. Но все же приемник прямого усиления не обеспечивает достаточной чувствительности, имеет слабую частотную избирательность по соседнему каналу, начиная с коротковолнового диапазона, и в нем наблюдается сильная зависимость полосы пропускания и коэффициента усиления радиочастотного тракта от частоты настройки.

Рисунок 1.2 - Структурная схема приемника прямого усиления

В настоящее время почти исключительно применяются супергетеродинная схема (рисунок 1.3), позволяющая осуществлять основное усиление и фильтрацию на низкой промежуточной частоте, за счет преобразования частоты радиосигнала. Для реализации переменной настройки в супергетеродине достаточно изменять только частоту гетеродина при широкополосном УРЧ или частоты гетеродина и настройки УРЧ.

Рисунок 1.3 - Структурная схема супергетеродинного приемника

В таком приемнике сигналы радиочастоты преобразуются в преобразователе частоты, состоящем из смесителя (См) и генератора вспомогательных колебаний - гетеродина (Г) в колебания фиксированной, так называемой промежуточной частоты, на которой и осуществляется основное усиление и частотная избирательность. Для того, чтобы эта частота оставалась постоянной при перестройке приемника, осуществляется сопряженная перестройка ВЦ, резонансных цепей УРЧ и гетеродина. В такой схеме избирательность по зеркальному каналу обеспечивается трактом радиочастоты, а избирательность по соседнему каналу - трактом промежуточной частоты.

Структурные схемы усилительных трактов супергетеродинов различаются числом и направлением преобразователей радиочастоты, наличием или отсутствием УРЧ.

Если в процессе проектирования выяснится, что требования к чувствительности и избирательности по зеркальному каналу выполняются приемником без УРЧ, то последний можно исключить.

Исходя из задания на курсовой проект, в данной работе будет целесообразнее использовать супергетеродинный приемник, учитывая, что обычно в радиовещательных приемниках применяют разностное преобразование частоты  с верхней настройкой частоты гетеродина .

Структурная схема разрабатываемого радиоприемного устройства изображена на рисунке 1.4.

Рисунок 1.3 - Структурная схема приёмника

ВЦ - входная цепь;

УРЧ - усилитель радиочастоты;

СМ - смеситель;

ФCС1 - фильтр сосредоточенной селекции (для тракта SSB-сигнала);

ФCС1 - фильтр сосредоточенной селекции (для тракта ЧМ-сигнала);

УПЧ - усилитель промежуточной частоты;

Д(SSB) - детектор SSB-сигнала;

Д(ЧМ) - детектор ЧМ-сигнала;

УНЧ - усилитель низкой частоты.

1.2 Определение поддиапазонов рабочих частот

Согласно техническому заданию проектируемый радиоприемник должен обеспечивать прием сигналов в диапазоне: 150МГц - 156МГц. Для того чтобы узнать, есть ли необходимость разбивать каждый из диапазонов на поддиапазоны необходимо посчитать коэффициент перекрытия по заданным значениям принимаемых частот.

Коэффициент перекрытия диапазона вычисляется по формуле:

.

Коэффициент перекрытия: .

Так как  < 1,4…1,6 (при настройке варикапами), следовательно, не требуется разбития на поддиапазоны.

1.3 Выбор способа и элемента настройки. Проверка перекрытия поддиапазонов

В диапазонных радиоприемниках настройку ВЦ на заданную частоту сигнала удобно осуществлять электронным методами, основанными на управлении (по постоянному напряжению или току) режимом нелинейных реактивных элементов. Наибольшее распространение получили схемы перестройки частоты с варикапами.

Достоинствами электронного способа настройки ВЦ варикапами являются:

·        высокая скорость перестройки;

·        отсутствие механических контактов в цепях контура;

·        высокая устойчивость по отношению к климатическим и механическим воздействиям;

·        возможность реализации необходимого закона изменения настройки;

·        введения систем запоминания кодов предварительных настроек, автопоиска, программного управления частотой настройки приемника без применения сложных механических устройств;

·        возможность достижения высокой избирательности преселектора посредством применения необходимого числа синхронно перестраиваемых контуров.

Выберем варикап таким образом, чтобы он обеспечил перекрытие поддиапазонов приемника при изменении управляющего напряжения до 12 В. Таким, в нашем случае, может быть кремниевый эпитаксильно-планарный варикап КВ109Б, выпускаемый в пластмассовом корпусе с гибкими ленточными выводами.

Зависимость емкости от обратного напряжения представлена на рисунке 1.5.

Таким образом, при Uупр = 1В  , при Uупр = 12 В.

С целью ослабления нелинейных эффектов, вносимых варикапом, будем применять последовательное встречное включение двух варикапов в сигнальную цепь. При этом общая емкость будет в два раз меньше.

Рисунок 1.5 - Вольт-фарадная характеристика варикапа КВ109Б

Данный варикап обеспечивает коэффициент перекрытия , чего в нашем случае достаточно для перекрытия необходимого диапазона.

Определим коэффициент перекрытия диапазона принимаемых частот с запасом:

,

где f ¢_max = 1,02f_max, f ¢_min = 0,98f_min - крайние частоты принимаемого диапазона, взятые с запасом.

.

Рассчитаем контур с переменной настройкой варикапом, используемый в резонансном УРЧ и гетеродине.

Рекомендуемое изменение управляющего напряжения варикапа составляет . При максимальном численном коэффициенте оно будет изменяться в пределах .

При этом максимальная и минимальная емкости варикапа составят  и  соответственно (с учетом того, что варикапы включены встречно последовательно).

Для подгонки коэффициента диапазона применим последовательный конденсатор. Тогда положив , вычислим коэффициенты D и B.

;

.

Емкость последовательного конденсатора  (примем К10-23 6,8 пФ).

Вычислим максимальную и минимальную эквивалентную емкости контура

, .

Индуктивность контура составит

.

1.4 Расчет основной полосы пропускания

Ширина полосы пропускания высокочастотного тракта супергетеродинного приемника зависит от вида принимаемого сигнала и определяется шириной спектра этого сигнала, а также нестабильностью частоты несущей передатчика и нестабильностью частоты гетеродина приемника.

SSB модуляция является разновидностью однополосной амплитудной модуляции и полоса пропускания для нее определяется выражением:, где  - верхняя (максимальная) частота модуляции.

При частотной модуляции ширина полосы пропускания зависит от индекса модуляции, который определяется следующим образом:

,

где  - верхняя (максимальная) частота модуляции,  - максимальная девиация частоты,  - индекс модуляции.

,

тогда ширину спектра радиочастот принимаемого ЧМ-сигнала можно взять равной:

.

Так как приемник предназначается для приема сигналов с различной полосой (SSB и ЧМ), то в качестве ширины полосы  выбираем наибольшую из рассчитанных.

Т.к. проектируемый приемник допускает поиск корреспондента и подстройку на станцию в процессе приема, то полоса пропускания высокочастотного тракта полагается: . Для дальнейших расчетов принимаем .

1.5 Расчет коэффициентов усиления и шума

Коэффициент шума показывает во сколько раз отношение сигнал/шум на входе приемника больше отношения сигнал/шум на выходе линейной части приемника. Если реальная чувствительность задана в виде величины ЭДС сигнала в антенне, при которой отношение значений напряжений сигнал / помеха на выходе приёмника больше минимально допустимого отношения сигнал/шум  или равно ему, то следует вычислить допустимый коэффициент шума  из условия:

,

где  - шумовая полоса линейного тракта;  - внутреннее сопротивление приемной антенны.

Минимальное отношение сигнал/шум на входе приемника: .

Допустимый коэффициент шума:

 (-31 дБ)

Реальное значение коэффициента шума не должно принимать отрицательное значение, поэтому увеличим чувствительность до 1 мкВ. В итоге получим:

 (7,34 дБ).

Рассчитаем коэффициент усиления по мощности всего приемника.

,

где  - мощность входного сигнала,  - мощность на выходе приемника.

.

Рассчитаем коэффициент усиления по напряжению.

,

где R_н - сопротивление нагрузки, нагрузкой на выходе приемника является динамик акустической системы, сопротивление которого равно 4Ом.

.

1.6 Расчет автоматической регулировки усиления

Согласно заданию необходимо обеспечить автоматическую регулировку уровня выходного сигнала со следующими параметрами:

·              изменение входного напряжения: ;

·              изменение выходного напряжения: .

Экспериментально установлено, что при изменении эмиттерного тока в пределах 0,2÷4,5 мА коэффициент усиления изменяется в 10÷12 раз. Это изменение обозначим через n.

Необходимые пределы изменения коэффициента усиления регулируемых каскадов определяют выражением:

;

.

Считая, что регулируемые каскады идентичны, определяют необходимое количество регулируемых каскадов:

;

.

Т.к. результат дробный, берем .

Количество регулируемых каскадов равно 3.

1.7 Выбор промежуточных частот

Выбор промежуточной частоты является важным фактором в борьбе с побочными каналами приема. При выборе частоты f_пр в первую очередь руководствуются следующими соображениями. Промежуточная частота должна находиться вне диапазона принимаемых частот; она не должна совпадать с частотами мощных станций. Частота f_пр должна иметь стандартное значение, поскольку на таких частотах мощные радиостанции не работают. Для обеспечения более высокой селективности по зеркальному каналу частота f_пр должна быть по возможности выше, а по соседнему каналу как можно ниже. В профессиональных РПУ для создания высокой селективности, как по зеркальному, так и по соседнему каналам, используют многократное преобразование частоты. Значение f_пр может меняться в широких пределах в зависимости от ширины спектра принимаемых сигналов.

Для повышения помехозащищенности приема по каналу прямого прохождения установлен международный стандартный ряд значений f_пр и одновременно наложен запрет на их использование в качестве несущих. Так, например, в системах радиовещания с АМ значение f_пр обычно выбирают равным 465 кГц, а с ЧМ - 10,7 МГц. Это обусловлено большим количеством пьезоэлектрических и кварцевых фильтров с различными ПП и затуханиями вне ПП, спроектированных для использования с данными промежуточными частотами.

Для дальнейшего расчета принимаем значение промежуточной частоты для диапазона УКВ: f_пр = 10,7 МГц.

1.8 Расчет добротности контуров и оценка избирательности

Избирательная система тракта РЧ обеспечивает избирательность приемника по зеркальной частоте и принимает участие в формировании общей резонансной характеристики приемника. Избирательность в данном тракте обеспечивается перестраиваемыми резонансными контурами, настроенными на частоту принимаемого сигнала. Число таких контуров и их добротность и обуславливает избирательность приемника по зеркальному каналу.

Добротность контуров тракта РЧ необходимо выбрать так, чтобы одновременно удовлетворить двум условиям: обеспечить избирательность по зеркальному каналу S_eзк и пропустить полосу не уже полосы передаваемого радио сигнала. Таким образом, значение добротности Q_э находят:

из условия обеспечения по зеркальному каналу:

,

где n - количество контуров; S_{e зк} - заданная избирательность по ЗК (раз); f₀ - частота, на которой определяется добротность; f_пр - промежуточная частота.

Значение Q_{э зк} следует определить на максимальной частоте диапазона, так как при этом резонансная кривая контура является наиболее тупой. Для n = 2:

При использовании одного контура значение Q_{э зк} слишком велико и не реализуемо.

Таким образом для обеспечения заданной избирательности по зеркальному каналу необходимо 2 контура с добротностью Q_{э зк} ³ 91,3

2. Расчёт узлов РПрУ

2.1 Расчёт входной цепи

В качестве входной цепи возьмем цепь с автотрансформаторной связью контура с антенно-фидерной системой. На рисунке 2.1 приведена схема такой цепи.

Рисунок 2.1 - Контур входной цепи приемника диапазона УКВ

Входная цепь с автотрансформаторной связью широко используется в приемниках метровых волн [(30 - 300) МГц] при несимметричном фидере. Подбором точки подключения внутреннего провода коаксиального фидера к катушке добиваются согласования волнового сопротивления фидера с входным сопротивлением схемы. При этом обеспечивается наиболее полная передача мощности сигнала от антенны на вход приемника.

Входные цепи УКВ диапазона большей частью работают на фиксированной частоте, на которой и обеспечивается согласование волнового сопротивления антенно-фидерной системы со входом приемника. Согласование на всех частотах перекрываемого диапазона требует применения сложных широкополосных устройств, что не всегда оправдывается с технико-экономической стороны.

При согласовании только на средней частоте допускают ослабление сигнала на краях диапазона на 30%, где рассогласование будет наибольшим. Таким образом, полоса пропускаемых частот входной цепи равна заданному диапазону и отсчитывается на уровне М=0,7.

Исходными величинами для расчета входной цепи на УКВ должны быть:

1 Частота настройки входного контура f или крайние частоты диапазона f_мин и f_макс. В последнем случае расчет ведется на средней частоте диапазона:

.

Волновое сопротивление фидера  определяется выбранным типом фидера.

1 Емкость контура С_э, равная сумме распределенных емкостей и емкости дополнительного конденсатора С:

.

1 Тип транзистора в перовом каскаде УРЧ и входное сопротивление каскада R_вх.

2 Полоса пропускания частот П.

Исходные данные для расчета:

конструктивная добротность контура

;

входное сопротивление транзистора ;

полоса пропускаемых частот ;

индуктивность контура ;

волновое сопротивление фидера;

рабочая частота ;

Эквивалентная емкость контура

.

Полагая емкость монтажа , паразитную емкость катушки  и учитывая входную емкость транзистора , определяем емкость дополнительного конденсатора:

.

Дополнительным конденсатором может быть керамический конденсатор типа КПК - 1 с пределами изменения емкости 2¸7 пФ.

Определяем резонансное сопротивление контура:

.

Резонансное сопротивление с учетом влияния входного сопротивления транзистора

.

Коэффициент передачи входной цепи при согласовании:

.

Оптимальный коэффициент включения фидера, обеспечивающий согласование:

.

Проверяем полосу пропускания

.

Полоса пропускания контура меньше заданной, следовательно, необходимо применять дополнительный шунтирующий резистор.

Необходимое эквивалентное затухание .

Вносимое затухание .

Сопротивление, которое вносит найденное затухание

.

Сопротивление, которое необходимо включить параллельно контуру (при полном включении)  (выберем МЛТ - 0,125 7,5 кОм).

Произведем перерасчет величин ,  и с учетом шунтирования контура.

;

;

;

.

Амплитуда сигнала радиочастоты на входе каскада УРЧ составит

.

2.2 Расчёт усилителя радиочастоты

Функциями усилителя радиочастоты являются:

4 усиление полезного сигнала;

5 обеспечение совместно с входной цепью частотной избирательности приемника по отношению к побочным каналам;

6 снижение коэффициента шума приемника, что обеспечивает повышение реальной чувствительности приемника;

7 обеспечение линейности усиления и ослабления нелинейных явлений в радиоприемнике, возникающих в условиях одновременного приема сигнала и сильных помех.

В качестве УРЧ будем использовать однокаскадный одноконтурный резонансный усилитель, выполненный на полевом транзисторе по схеме с общим истоком.

На рисунке 2.2 приведена принципиальная электрическая схема УРЧ.

Рисунок 2.2 - Схема усилителя радиочастоты

В УРЧ используется полевой транзистор КП307Г.

Параметры транзистора КП307Г:

S = 12 мА/В-крутизна характеристики транзистора;

 Ом - сопротивление истока;

 кОм - сопротивление сток - исток;

 Мом - сопротивление затвор - исток;

 пФ - емкость затвор - сток;

 пФ - емкость сток - исток;

 пФ - емкость затвор - исток.

Определим волновое сопротивление контура для крайних частот поддиапазона:

;

.

Коэффициент включения контура со стороны стока, исходя из условий получения оптимального согласования на минимальной частоте диапазона:

, где ,

 - выходное сопротивление транзистора, равное

.

Коэффициент включения контура со стороны последующего каскада на минимальной частоте поддиапазона:

;

Коэффициент усиления усилителя на крайних точках поддиапазона:

;

.

.

Минимальное напряжение входного сигнала ИМС AD607 при нагружении входной цепи непосредственно на входное сопротивление смесителя (1500 Ом) составляет 6,8 мкВ, следовательно, УРЧ обеспечивает необходимое усиление.

Определим величины термокомпенсирующих деталей.

Выберем рабочую точку транзистора КП307Г:  В;  В;  мА.

Данные определены по статическим характеристикам выбранного транзистора.

 (выбираем резистор МЛТ - 0,25 1 кОм).

Напряжение на стоке относительно корпуса:

 В.

Т.к. , где  В-напряжение питания, рассчитываем сопротивление фильтра:

 (выбираем резистор МЛТ - 0,25 3,3 кОм).

Определяем балансирующий конденсатор:

 (выбираем конденсатор К10-23 51 пФ).

 (выбираем конденсатор К10-23 16 пФ).

Рассчитаем коэффициент шума УРЧ.

Коэффициент шума каскада с полевым транзистором определяется формулой:

,

где g - собственная резонансная активная проводимость параллельного колебательного контура,

,

 - собственное затухание входного контура, ;

 - проводимость цепи затвора,

,

;  с^-1;

;

 - шумовое сопротивление полевого транзистора,

,

где .

;

.

3. Расчет коэффициента шума

Коэффициент шума приемника определяется из соотношения:

,

где  - коэффициент передачи входной цепи, ;

 - коэффициент передачи УРЧ, ;

 - коэффициент передачи преобразователя частоты;

 - коэффициент шума УРЧ, ;

 - коэффициент шума преобразователя частоты;

 - коэффициент шума УПЧ.

Основной вклад в коэффициент шума вносят два первых слагаемых, поэтому коэффициент шума проектируемого приемника составит:

.

Допустимый коэффициент шума . Полученный коэффициент шума меньше допустимого, следовательно, полученные результаты соответствуют заданию.

радиоприемник поддиапазон контур детектирование