Проектирование бытового радиовещательного приёмника

Министерство образования и науки Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра радиотехники и защиты информации (РЗИ)

Курсовой проект

по дисциплине: Устройства приёма и обработки сигналов

на тему: "Проектирование бытового радиовещательного приёмника"

Студент гр.143-М

Топчий В.В.

Руководитель доктор физико-математических наук, профессор

А.С. Задорин

г.

Реферат

БЫТОВОЙ РАДИОВЕЩАТЕЛЬНЫЙ ПРИЕМНИК., ПРЕСЕЛЕКТОР, ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПРИЕМНИКА, УСИЛИТЕЛЬ РАДИОЧАСТОТЫ, ЗЕРКАЛЬНАЯ ЧАСТОТА, УПЧ, АРУ.

Данный курсовой проект содержит _____ страницы, 12 источников, 20 рисунка и 3 таблицы.

Целью данного курсового проекта является разработка радиовещательного приемника КВ диапазона.

Курсовой проект выполнен в текстовом редакторе “Microsoft Word 2010”.

Задание на курсовое проектирование

Тема проекта: Бытовой радиовещательный приемник Б-РВП).

Назначение: бытовой радиоэлектронный аппарат предназначен для приема и воспроизведения радиовещательных программ в соответствии с ГОСТ 5651-89

.        Исходные данные к проекту:

.1.     Диапазон частот - 17725 - 17900, (КВ, 13-16 м)

1.2.   Условия эксплуатации - стационарный;

.3.     Группа сложности - нулевая;

.4.     Чувствительность, ограниченная шумами,

при отношении сигнал/шум не менее 20 дБ

по напряжению со входа для внешней антенны, мкВ, не хуже - 30;

.5.     Односигнальная избирательность по соседнему каналу при расстройке ±9кГц, дБ, не менее - 60;

.6. Односигнальная избирательность по зеркальному каналу, дБ, не менее: 30

.7 Глубина ручной регулировки усиления, дБ - 50.

.8 Глубина ручной автоматической регулировки усиления, дБ - 60.

.9 Технологическая платформа структурной схемы РПрУ - аналоговый инфрадинный приемник с цифровой промежуточной обработкой данных - SDR (Software Defined Radio).

.        Перечень вопросов, подлежащих разработке:

.1.     Разработку структурной схемы радиоприемника и ее эскизный расчет;

2.2.   Электрический расчет принципиальной схемы и симуляция работы в среде к. - л. CAD-системы следующих блоков приёмника:

Усилитель высокой частоты и преселектор;

Первый преобразователь;

Фильтр усилителя первой промежуточной частоты;

.3.     Сравнение расчётных характеристик приёмника с заданными ТЗ.

.        Перечень обязательных чертежей:

.1.     Структурная схема приёмника;

3.2.   Принципиальная и монтажная схемы перечисленных выше каскадов приёмника, выполненные в системе P-Cad.

.3.     Перечень элементов.

2.4.   Топологическая схема и АЧХ ПАВ-фильтра.

.        Перечень обязательных чертежей:

.4.     Структурная схема приёмника;

3.5.   Принципиальная схема преселектора и ПрЧ приёмника,

.6.     Перечень элементов.

. Список литературы:

4.1.   Бакеев Д.А., Дуров А.А., Ильюшко С.Г., Марков В.А., Парфёнкин Прием и обработка информации: Курсовое проектирование устройств приема и обработки информации: Учебное пособие. Петропавловск-Камчатский. 2007.

4.2.   ГОСТ 5651-89. Аппаратура радиоприемная бытовая. Общие технические условия.

.3.     Фомин Н.Н., Буга Н.Н., Головин О.В. и др. Под редакцией Фомина Н.Н. Радиоприёмные устройства: учебник для вузов. - М.: "Горячая линия" - Телеком, 2007. - 520с.

Дата выдачи задания 17.03 2014 г.

Срок сдачи готового проекта на кафедру 20.05 2014 г.

Подпись руководителя _______________

Подпись cтудента_____________

Содержание

Введение

1. Проектирование структурной схемы

1.1 Выбор типа структурной схемы приемника

1.2 Выбор промежуточной частоты

1.3 Обеспечение избирательности

1.4 Обеспечение чувствительности радиоприемного устройства

1.5 Фильтр усилителя первой промежуточной частоты

1.6 Требования к блоку АЦП

1.7 Результаты расчета структурной схемы

2. Расчет приемника на уровне принципиальных схем

2.1 Расчет преселектора

2.2 Расчет первого усилителя промежуточной частоты

3. Оценка чувствительности устройства

4. Система АРУ

Заключение

Введение

Важнейшим функциональным элементом радиотехнических систем является радиоприемное устройство, способное воспринимать слабые радиосигналы и преобразовывать их к виду, обеспечивающему использование содержащейся в них информации. В состав радиоприемного устройства входят радиоприемник, антенна, оконечное устройство. Приемники классифицируются по ряду признаков. По типу схем различают детекторные, прямого усиления, сверхрегенеративные и супергетеродинные приёмники.

В данном курсовом проекте рассматривается проектирование непосредственно приемников, а типы и параметры антенн и оконечных устройств учитываются лишь в той мере, в которой это необходимо для проектирования приемников.

Для реализации курсового проекта я использовал радио-телекоммуникационную систему (SDR). Данная технология позволяет заменить огромнейшее разнообразие существующих и разрабатываемых конструкций радиоприёмников и трансиверов, как серийных, так и, прежде всего, любительских, построенных по сложной супергетеродинной <#"803363.files/image001.gif">

Рисунок 1.1 - Предварительная структурная схема инфрандинного приемника приведена

1.2 Выбор промежуточной частоты

Промежуточную частоту выбирают вне диапазона принимаемых частот, по возможности удаляют от границ поддиапазонов для ослабления помех по прямому каналу, а также от частот, на которых работают мощные радиостанции [1].

По возможности промежуточную частоту приемников ДВ, СВ и КВ диапазонов выбирают из ряда стандартизированных значений: 0,076; 0,465 1,84; 2,9; 10,7; 24,975 МГц [5]. Выбранное значение ПЧ должно обеспечивать получение необходимой полосы пропускания и избирательности по соседнему и зеркальному каналам. Так в соответствии с ТЗ приёмник должен работать в КВ, выберем в качестве промежуточной частоты f_пр1=24,975 МГц, f_пр2=0,465 МГц

.3 Обеспечение избирательности

В супергетеродинных приемниках частотная избирательность определяется в основной ослаблениями зеркального и соседнего (или соседних) каналов [1]. В приемниках в одинарным преобразованием частоты ослабление зеркального канала обеспечивает преселектор, ослабление соседнего канала - в основном УПЧ и частично преселектор. Промежуточная частота fпр должна лежать вне диапазона принимаемых частот f_с.

Избирательности по соседнему и зеркальному каналам, заданные в техническом задании, необходимо распределить по структурным блокам приёмника.

Необходимо выбрать число каскадов и вид избирательных систем ВЦ, УРЧ и УПЧ.

Преселектор может быть выполнен:

·        с одиночными контурами во входной цепи с индуктивной или емкостной связью. Количество контуров преселектора не должно превышать трех.

·        с двухконтурным полосовым фильтром во входной цепи с индуктивной связью антенны с колебательным контуром. Причем такой преселектор может содержать и дополнительный одиночный контур в усилителе радиочастоты (УРЧ).

Рассчитаем параметры фильтров необходимые для работы на заданной частоте. Для расчета возьмем выбранные ранее несущую частоту. Расчет проведен в среде MathCad.

Первая промежуточная частота:  МГц;

Частота сигнала:  МГц;

Полоса пропускания контура:  кГц;

Добротность контура 1-го преселектора:

;

Число контуров преселектора: ;

Первая зеркальная частота:

 (1.2)

Относительная расстойка контура на зеркальной частоте:

;

Обобщенная расстройка контура:

 (1.4)

;

Ослабление зеркальной частоты одним контуром:

 (1.5)

, дБ;

Ослабление многоконтурным преселлектором зеркальной частоты:

 (1.6)

здесь  - количество контуров.

, дБ.

В таблице 1.1 приведены нормы частотной избирательности на радиовещательные приемника, предусмотренные ГОСТ 5651-89 [5]. Нормы для других видов частотной избирательности оговариваются дополнительно в ТУ.

Таблица 1.1 - Нормы частотной избирательности

Таким образом рассчитанные параметры удовлетворяют требованиям для приемника 0 класса.

1.4 Обеспечение чувствительности радиоприемного устройства

Численно чувствительность оценивается минимальным уровнем входного сигнала, обеспечивающим заданную выходную мощность при определенных условиях [10].

Провожу предварительные расчеты минимального уровня сигнала на входе проектируемого радиоприемного устройства. При расчете коэффициент шума задан произвольно 50 дБ. Расчеты проведены в программной среде MathCad 15

Начальные данные для расчета: f₀= 17.8 МГц - рабочая частота, Δf= 175 КГц - полоса частот, Ш=20 дБ - коэффициент шума

Рассчитываю уровень внешнего шума антенны

 (1.7)

Pn1 (f) = - 95.43 дБм

Определяю уровень внутреннего шума приемника

 (1.8)

Pn2 (Ш) = - 101. дБм

Определяю уровень внешнего шума на входе приемника

дБм

Определяю пороговую чувствительность приемника

 (1.9)

Pn= - 114.5 дБм

Рис. 1.2 - график шумовой зависимости

Как видно на графике в рабочем диапазоне частот преобладают внешние шумы, что в свою очередь избавляет от выбора дорогостоящего малошумящего операционного усилителя в преселекторе. Полученное в результате значение минимального значения сигнала на входе ниже уровня, заданного в ТЗ.

.5 Фильтр усилителя первой промежуточной частоты

 (1.10)

На выходе первого преобразователя частоты частота второго зеркального канала f_з2 преобразуется в частоту f_{г1 -} f_з2 = f _{З ПР}, которая должна быть подавлена в тракте первой промежуточной частоты фильтром Ф2 (рис.1.2), который для этого, в основном, и предназначен. Фильтр Ф3 предназначен для подавления помех по соседнему каналу приема.

Будем рассчитывать необходимое ослабление второй зеркальной частоты.

 - частота сигнала,

 - вторая промежуточная частота,

∆f =175кГц - полоса пропускания фильтра.

Определим вторую зеркальную частоту:

 (1.11)

Определим добротность контура по формуле:

 (1.12)

Относительная расстройка контура на этой зеркальной частоте:

 (1.13)

Обобщенная расстройка контура:

 (1.14)

Теперь найдем ослабление второй зеркальной частоты одним контуром:

 (1.15)

здесь  - количество контуров,

Отсюда видим, что добиться необходимого ослабления второй зеркальной частоты одним контуром не удается. Поэтому увеличиваем количество контуров до тех пор, пока не добьёмся желаемого результата.

Увеличим количество контуров до

Однако для уменьшения габаритов схемы имеется возможность заменить пять каскадов УПЧ1 на один широкополосный усилитель с ПАВ фильтром в нагрузке. ПАВ фильтр обладает отличной добротностью и очень высокой избирательностью [11]. Оценка ослабления зеркальной частоты ПАВ фильтром будет дана после моделирования. Если она будет удовлетворять требованиям ТЗ, то возьмется за основу построения усилителя первой промежуточной частоты.

1.6 Требования к блоку АЦП

Усилитель второй промежуточной частоты, который подавляет частоты соседнего канала, а также последующие блоки приемника обработки сигнала построены на цифровых устройствах.

Преимущества такой комбинированной обработки сигнала велики. Одно из них - селекция полезного сигнала. Так как соседний канал расположен очень близко к основному каналу, избирательность по соседнему каналу должна быть особо точной. С аналоговыми устройствами не всегда можно добиться необходимого результата, но когда сигнал представляет собой последовательность двоичных чисел 0 и 1, то с ними можно делать, почти, все, что угодно.

Это означает, что применение цифровых устройств даст желаемый результат по всем необходимым параметрам.

Для того, чтобы преобразовать непрерывный сигнал в цифровой, нужно использовать аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

Требования к АЦП так же много, как и другим блокам приемного устройства. Один из важных параметров - это быстродействие процессора.

Имеется два этапа осуществления АЦП:

·        квантование во времени непрерывного сигнала u (t);

·        оцифровка каждого отсчета; диапазон возможных значений напряжений (u_min, u_max) делится на M интервалов длиной Δu - шаг квантования по уровню.

Определяю частоту дискретизации

д= 2∙ Fв, (1.9)

F_k= 2∙ 17.900=35.8 МГц

Определяю шаг квантования по уровню для АЦП AD677. функциональная блок-схема приведена на рис. 1.3.

Рисунок - 1.3 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БЛОК-СХЕМА AD677

 (1.10)

Umax= 10 мВ

Umin= - 5 мВ

М= 2048

Δu = 0,015/2048= 7,3 мкВ

Минимальный уровень напряжения, при котором работает данный АЦП по паспортным данным составляет 0.37 В.

1.7 Результаты расчета структурной схемы

В результате расчёта структурной схемы был определен состав приёмника, количество каскадов УРЧ, УПЧ, АРУ, а также определены исходные параметры для электрического расчёта принципиальной схемы приёмника.

Примерная структурная схема приёмника показана на рисунке

Рисунок 1.4 - Структурная схема супергетеродинного приемника

Основные параметры структурной схемы приемника сигналов сведены в таблице 1.4.

Таблица 1.2 - Основные параметры структурной схемы приемника

2. Расчет приемника на уровне принципиальных схем

.1 Расчет преселектора

Преселектор необходим для подавления первой зеркальной частоты и предварительной селекции сигнала. В п.1.5 в качестве преселектора был выбран совмещенный фильтр Саллена - Кея с единичным усилением. Расчет проведен в программной среде MathCad 15

Для расчета элементов фильтра нам понадобятся:

 - частота среза ФВЧ,

.725 МГц - частота среза ФНЧ.

Рассчитаем номиналы резисторов ФНЧ:

Рисунок 2.1 - Схема фильтра нижних частот

Здесь

Рассчитаем номиналы резисторов ФВЧ:

Рисунок 2.2 - Схема фильтра верхних частот

Здесь

Ф

Теперь подставив значения параметров, смоделируем фильтр Саллена - Кея в программной среде Multisim.

Рисунок 2.3 - Схема фильтрa Саллена - Кея

Для реализации схемы был выбран широкополосный операционный усилитель AD8001AN.

Рисунок 2.4 - Схема каскада УРЧ

Так как один контур обеспечил необходимое ослабление зеркальной частоты на 30 дБ. В итоге мы добились заданного ослабления на первой зеркальной частоте, являющейся побочным продуктом первого преобразования частоты. В итоге мы получили первую промежуточную частоту 24,975 МГц (достаточно высокая).

Рисунок 2.5 - Усиление на центральной частоте сигнала

На измерительном приборе видим, что на частоте сигнала 17,813 МГц мощность равна 0,02 дБ, то есть сигнал на заданной частоте передается без ослабления.

Теперь отведем маркер на частоту зеркального канала. По техническому заданию, подавление первой зеркальной частоты должно быть не менее 30дБ.

Рисунок 2.6 - АЧХ УРЧ проектируемого приёмника на зеркальной частоте

Таким образом, был настроен УРЧ для заданного на входе приёмника сигнала. На резонансной частоте коэффициент передачи составляет примерно 0,021 дБ. Первая зеркальная частота соответствует 67,76 МГц, и ослабляется на - 30 дБ, тем самым обеспечивая нужное значение.

Рисунок 2.7 - сигнал на входе и на выходе преселлектора

2.2 Расчет первого усилителя промежуточной частоты

В качестве УПЧ1 был выбран широкополосный каскад на ОУ с ПАВ фильтром в нагрузке для обеспечения требуемой по ТЗ селективности проектируемого приемника. Необходимые расчеты проведены в среде MathCad 15

Определяю относительную расстройку контура на зеркальной частоте

v: = (25,9Ч10⁶/24,975Ч10⁶) / (24,975Ч10⁶/25,9Ч10⁶) = 1

Определяю полосу пропускания ПАВ фильтра в нагрузке

Δf= f₀/Q

Δf= 24.975Ч10⁶/100= 0.25 MГц

Рис. 2.8 - широкополосный усилитель без ПАВ фильтра в нагрузке

С помощью программной среды "Расчет ПАВ фильтров" проектирую фильтр с необходимыми мне параметрами.

В окно "Параметры ПАВ фильтра" ввожу необходимые для расчета данные

Рис. 2.9 - окно с вводом данных для расчёта фильтра

После ввода необходимых данных, запускаю проектирование структуры ПАВ фильтра. Структура полученного ПАВ фильтра привожу на рис. 2.10

Рис. 2.10 - топология ПАВ фильтра

В конце проектирования УПЧ1 привожу АЧХ широкополосного усилителя с ПАВ фильтром в нагрузке

Рис. 2.11 - АЧХ спроектированного УПЧ1

Анализируя АЧХ, ясно, что подавление зеркальной частоты в блоке УПЧ1 осуществляется на 60 дБ, что полностью удовлетворяет требования ТЗ по избирательности по зеркальному каналу.

3. Оценка чувствительности устройства

Предварительный расчет чувствительности был произведен в 1 главе, с абстрактным значением коэффициента шума. Для расчета коэфициента шума нашей схемы был использован пакет MultiSim: коэффициент шума в зависимости от частоты по формуле (inoise^2/ (4*k*T*Rг)). Где выходной шум (onoise), пересчитанный на вход (inoise = onoise/K (f), где K (f) - коэффициент передачи четырехполюсника) дальше это делится на спектральную плотность мощности входного шума, которую можно рассчитать исходя из выходного сопротивления генератора Rг.

В MultiSim для этого необходимо использовать постобработку результатов моделирования шумов. В постпроцессоре добавляется обработка результатов моделирования шумов по формуле db ( (inoise_spectrum) / (4*1.38e-23*300*50)) /2.

НЧ область очень похожа на фликкер - шум транзистора.

Чтобы получить график с коэффициентом шума, необходимо сначала запустить: Моделирование - Вид анализа - Шумов.

Моделирование - Постпроцессор - Вкладка (Графопостроитель) - Кнопка (Рассчитать).

Результат моделирования приведен в виде рисунка 3.1.

Риc. 3.1 - Оценка чувствительности приемника

Рис. 3.2 - Значения маркера (коэффициент шума) на заданной частоте

Рассчитываю уровень внешнего шума антенны

Pn1 (f₀) =-95.431 дБм

Рассчитываю уровень внутреннего шума приемника

Pn2 (Ш) = - 101. дБм

Определяю уровень внешнего шума на входе приемника

дБм

Определяю пороговую чувствительность приемника

Pn= - 114.5 дБм

Перевожу полученные единицы в вольты и сравниваю с требованиями ТЗ:

,5дБм= 1,8 мкВ

Что значительно меньше требования ТЗ, т.е. спроектированный приемник чувствительнее, чем того требует его класс. Как следствие мы имеем запас по чувствительности, что улучшит качество приема.

4. Система АРУ

Автоматическая регулировка необходима 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 [12].

Функции регулировок усложняются, когда требуется обеспечить прием сложных сигналов при меняющихся условиях распространения и в сложной шумовой обстановке.

Системой АРУ будет охвачен блок УПЧ1, т.к. сигнал на входе и выходе блока будет уже значителен по уровню. К широкополосному усилителю УПЧ1 подключаю систему АРУ и собираю схему в программной среде Multisim 13 (рис.4.1).

На вход схемы подаются два сигнала - заданная частота (в данном случае 25 МГц) и генератор импульсов.

Определяю амплитуду входного сигнала и его уровень. Согласно ГОСТ 5651-89, для высшего типа приемника изменение уровня сигнала на входе должно составлять 50 дБ, а изменение уровня сигнала на выходе не более 10 дБ [13].

Согласно техническому заданию, необходимо при автоматической регулировке обеспечить глубину - 60 дБ.

Определяю глубину автоматической регулировки

Рис. 4.2 - значения амплитуд входного и выходного сигнала системы АРУ

Таким образом:

Уровни изменений входного сигнала:

U_m1 = 1,972 мВ;

U_m2 = 984,454 мкВ.

Тогда:

, мВ,

, дБ.

Учитывая, что изменение уровня сигнала на выходе должно составлять не более 10 дБ, определим амплитуды выходного сигнала.

Уровни изменений выходного сигнала при включении АРУ:

U_m1 = 1,337 В;

U_m2 = 685,606 мВ.

Определяю изменение уровня сигнала на выходе:

, В,

, дБ.

При ручной регулировке необходимо обеспечить глубину - 50 дБ.

Определяю глубину ручной регулировки по осциллограмме на рис.4.3.

Рис. 4.3 - определение глубины регулировки АРУ

Таким образом:

амплитуда входного сигнала: U_m1 = 998,355 мкВ;

амплитуда выходного сигнала: U_m2 = 2,453 мВ.

Тогда:

, мВ,

, дБ.

Таблица 4.1 - ГОСТ 5651-89: Действие АРУ

Заключение

В ходе работы над курсовым проектом сначала были выполнены предварительные расчеты, позволившие выбрать и обосновать структурную схему радиоприемника по исходным данным технического задания, получены исходные данные для расчета преселектора, усилителя промежуточной частоты. В курсовом проекте дана оценка коэффициенту шума приемника, рассчитана система АРУ. Так же были определены основные требования к блоку АЦП. Были составлены: структурная схема приемника; принципиальная схема усилителя первой промежуточной частоты; принципиальная схема преселектора с перечнями элементов. Для блока УПЧ 1 был спроектирован ПАВ фильтр.

Путем проведения компьютерной симуляции, была проверена достоверность расчетов.

Спроектированный супергетеродинный приемник удовлетворяет требованиям технического задания.

Список литературы

1. Проектирование радиоприемных устройств. Под редакцией А.П. Сиверса. Учебное пособие для вузов. - М., Сов. Радио, 1976 - 488 с.

. Е.А. Колосовский "Устройства приема и обработки сигналов" г. Москва Горячая линия - Телеком 2007 г. с.94 - 101

. 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.

. Свободная электронная энциклопедия http://ru. wikipedia.org/wiki/ ПЛИС

. ГОСТ 5651-89 Аппаратура радиоприёмная бытовая.

. Бобров Н.В. Радиоприемный устройства издание 2 изд. Энергия 1986 г. С.135

. Подлесный С.А. - электронное учебное пособие/ Устройства приема и обработки сигналов - Красноярск: ИПК СФУ, 2008

.Л.Н. Волков, М. С, Немировский, Ю.С. Шинаков "Системы цифровой радиосвязи" Экотрендз Москва 2005 г. С.91 - 96

.Б. Картер Р. Манчини "Операционные усилители для всех" Москва из. Дом Додэка - XXI 2007г. с.132 - 140

. 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

. Н.И. Фомин Радиоприемные устройства 3-ее издание М - Горячяя линия - Телеком 2007 г. С.117.