Цифровой канал радиосвязи с разработкой радиоприемного устройства и электрическим расчетом блока усилителя радиочастоты

Содержание

1. Введение

2. Анализ технического задания.

3. Энергетический расчёт

4. Оценка достоверности цифровой информации в канале связи

5. Выбор типа структурной схемы радиоприёмника

6. Выбор промежуточных частот радиоприёмника

7. Разработка функциональной схемы приёмника

8. Электрический расчёт усилителя радиочастоты

9. Заключение

10. Список литературы

Введение.

В настоящее время к современным радиоприёмникам военного назначения предъявляются высокие требования по массово - габаритным характеристикам, малому энергоснабжению, безотказной работы в течение всего срока эксплуатации, которые, прежде всего, определяются особенностями его эксплуатации.

Целью данной курсовой работы является разработка цифрового канала радиосвязи, с электрическим расчётом усилителя радиочастоты радиоприёмника.

В соответствии с поставленной задачей был проведён анализ технического задания с целью разработки цифрового канала радиосвязи, с электрическим расчётом усилителя радиочастоты радиоприёмника при конкретных технических требованиях. В данной курсовой работе была разработана функциональная модель цифрового канала радиосвязи, а также был проведён его энергетический расчёт заданным техническим требованиям.

Кроме того, по результатам, полученным в данной курсовой работе, была выбрана наиболее целесообразная структурная схема приёмного устройства, на основании которой разработана его функциональная и принципиальная схемы.

Высокие требования, предъявляемые к современным военным радиоприёмникам и с учётом современной элементной базы, был произведён электрический расчёт усилителя радиочастоты, и на основе полученных результатов была синтезирована его принципиальная схема.

Анализ технического задания.

В исходных данных технического задания отсутствуют требования по климатическим условиям эксплуатации приёмника, а также вероятность его нормальной работы за среднее время наработки на отказ Tотк.ср.

С учётом того, что радиоприёмник будет эксплуатироваться в войсках, то есть работать в полевых условиях или же в закрытых, не отапливаемых, зачастую во влажных помещениях, то были выбраны самые жёсткие условия эксплуатации.

Согласно ГОСТ 24375-80 для территории Российской Федерации диапазон рабочих температур составляет от -500
С до +500
С, при влажности окружающей среды не более 90%.

С целью обеспечения требуемой надёжности эксплуатации предлагается двукратное дублирование радиоприёмника, то есть так называемый «горячий резерв».

Исходя из этих условий, значение вероятности нормального функционирования было выбрано P=0,998, за среднее время эксплуатации Тотк ср
=3000 часов.

С учётом исходных данных технического задания и, разработанных требований эксплуатации был произведён энергетический расчёт цифрового радиоканала.

Энергетический расчёт УКВ радиоканала.

1. С учётом исходных данных в начале была рассчитана полоса пропускания

радиоприёмника по [5]:

=(1,1…1,2)*Fс
,

где значение Fс
для сигнала с амплитудной манипуляцией выбирается из условия:

Fс
= ,

где Um
=Rk

Исходя из этого, было вычислено значение:

2. В соответствии с техническим заданием и условиями работы определена чувствительность радиоприёмника по формуле:

U
тр

=2*, (1)
где

T=273 K - температура окружающей среды в Кельвинах;

K=1,38*10-23
(Дж/к) - постоянная Больцмана;

N=6 - коэффициент шума приёмника;

Ra
=75 Ом - входное сопротивление антенны;

=792 Гц;

h=9 - заданное превышение мощности сигнала над мощностью шума (помехи) на входе приёмника.

Таким образом:

U
тр

=2*=0,21*10-6
(В).

3.
Определена зона расположения приёмника.

Освещена зона (зона прямой видимости) найдена согласно [5]:

L
пр

=3,57*(), (2)

При этом нижняя зона блокирования определена по формуле [5]:

L
бл

=18*, (3)

Где - эквивалентные высоты антенн

- минимальная длина волны в используемом диапазоне 30…60 МГц

=300/
Fmax

, где
Fmax

=60МГц; (4)

=с/
Fmax

=3*108
/6*107
=5 м. (5)

Подставляя в формулу значения ,и были получены:

, (6)

где
R
ЭЗ

=
8,5*106
м - эквивалентный радиус Земли.

=3,6 м.

L
бл

=18*=46,6(м).

L
пр

=3,57*()=26,7(км).

Сравнивая требуемую дальность радиосвязи L
св

со значением L
пр

,
получимL
пр

L
св

,

то есть 26,7(км)
90(км).
Следовательно, расчёт напряжённости электромагнитного поля в точке приёма был произведён по формуле Фока, которая имеет следующий вид:

E
Д

=
, (8),
где:

L
- длина радиолинии;

L
пр

- расстояние прямой видимости;

v
- коэффициент дифракции;

P
1

- мощность подводимая к передающей антенне;

G
- коэффициент усиления антенны ПРДУ;

-средняя длина волны;

R
зэ

- эквивалентный радиус Земли (8500 км);

E
Д

==
0,00015 В
/
м;

4.
Зная напряжённость электромагнитного поля в точке приёма, определим действующее значение напряжения на входе приёмника в точке приёма:

U
Д

=ЕД
*НД
, (9)
где

Нд сим
=()*
tg
(
k
*
l
)/

, (10)
где

-
средняя длина волны рабочего диапазона;

l
-
длина одного плеча симметричного вибратора;

k
=

(2*3,14)/7,5=8,37 (1/м);

l
=

/4=1,875 м;

Нд сим
=()*
tg
(
k
*
l
)/

=8,66*10-3
м;

Нд несим
=0,5*Нд сим
=4,33*10-3
м.

U
Д

=ЕД
*НД
=0,00015*4,33*10-3
=0,65*10-6
В

Проверено выполнение следующего условия: U
Д

U
тр

065*10-6
021*10-6
.
Из этого вытекает, что радиоприёмное устройство будет уверенно принимать сигнал.

5.
Рассчитано номинальное значение отношения сигнал/шум на входе приёмника:

9(0,65*10-6
/0,21*10-6
)2
=86;

После расчёта канала связи была проведена оценка достоверности цифровой информации в канале связи.

Оценка достоверности цифровой информации в канале связи.

Оценка достоверности цифровой информации в канале связи проведена с учётом вероятности отказа системы связи без учёта отказа аппаратуры канала связи (техники),

т.е. Ротк
=0

Результатом проведения энергетического расчёта является обеспечение требуемого отношения мощности полезного сигнала к мощности шума плюс помеха на входе линейной части приёмника. В заданной полосе пропускания при фиксированной дальности связи L и мощности передатчика P. Тогда по заданному виду сигнала (модуляции), в данном случае сигнал АМ, для фиксированного значения по известной зависимости в приёме дискретного символа.

При известной длине сообщения, в данном случае длина сообщения N=720 , вероятность доведения некодированного сообщения определяется из графической зависимости P
дов

=(1-
P
Э

)
N

,
гдеP
Э

=1,25*10-2
,
определяется из графической зависимости

P
Э

=
f
(

),

P
дов

=(1-1,25*10-2
)720
=0,000116604;

После расчёта вероятности доведения информации необходимо проверить условие Рдов
Рдов треб

или 0,0001166040,999
, то есть такая вероятность доведения информации меньше требуемой. Для повышения вероятности доведения информации

необходимо либо увеличивать мощность передатчика с целью увеличения
,
а это в данном случае невозможно и не выгодно, либо применять помехоустойчивое кодирование, которое не требует дополнительных энергетических затрат, а требует лишь возможности расширения полосы пропускания канала связи в n
/
k
раз,
по сравнению с некодированной системой связи при фиксированном времени доведения сообщения T
,
использовать кодирование информации. Выбираем код (
n
,
k
,
d
)=(15,10,4),
где

n
- длина кодовой комбинации;

k
-
количество информационных символов;

d
-
минимальное кодовое расстояние.

Вероятность ошибки: Р0(

n

,

k

,

d

)

=2,8*10-3

P
тр

=1-(1-Р0(

n

,

k

,

d

)

)
n

/

k

=5,36*10-9
;

Следовательно, если мы сравним с требуемым значением =10-7
,

P
тр

P
тр треб

5,36*10-9
10-7
,
из этого можно сделать вывод о том, что выбранный нами код правильный.

Рпр
=1-(1-8,7*10-4
)23
=0,99975;

Рдов
=0,99964;

Рпр дек
=,
где

t
и

=1 -
число гарантированно исправляемых кодом ошибок,

Рэк
=1,75*10-2
,
исходя из этого вычисляем вероятность правильного декодирования:

Рпр.дек
=0,9998.

Вероятность ошибки на бит информации Р0

, которая отдаётся получателю, определяется по формуле:

Р0
=(1- Рпр.дек
)/2=0,0001,

Следует отметить, что именно значение Р0

является одним из ключевых требований, которые предъявляет заказчик на проектируемую систему связи, при этом обязательно должно выполняться условие Р0
Р0.тр
,
в данном случае это условие выполняется.

Вероятность доведения сообщения, кодируемого (
n
,
k
dmin

),
то есть (15,10,4),
кодом определяется следующим выражением:

Рдов
=(Рпр.дек
)
N

/

K

=0,9998720/10
=0,9996,

Данная вероятность доведения сообщения с использованием кода не менее требуемой.

Важным параметром дискретной системы связи является вероятность трансформации сообщения, которая определяется следующим выражением:

Ртр

N

=

=1-[1-
P
но(

n

,

k

,

d

)

]
N

/

K

,

где P

ВЫБОР ТИПА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ РАДИОПРИЁМНИКА

Современные связные приёмники чаще всего строятся по супергетератинной схеме, что позволяет реализовать наибольшую чувствительность и избирательность по сравнению с другими типами схем. Однако супергетератинным приёмникам свойственны определённые недостатки:

* наличие «зеркального канала»;

* наличие «паразитных» радиочастотных излучений гетеродинов;

* наличие «паразитных» условий и амплитудной модуляции сигнала за счёт внутренних помех в системе стабилизации.

Указанные недостатки необходимо учитывать при выборе типа структурной схемы. Структурная схема радиоприёмника - это графическое изображение, дающее представление о структуре радиоприёмника и состоящее из функциональных частей и связей между ними.

Основой для выбора структурной схемы связного радиоприёмника являются технические требования:

* к относительному изменению частоты подстройки радиоприёмника;

* к чувствительности радиоприёмника;

* к избирательности по «зеркальному» и соседнему каналам;

Из двух возможных вариантов с одним или двойным преобразователем, была выбрана схема с двойным преобразователем частоты, так как только она обеспечивает требования селективности и требования технического задания.

Входная цепь выполняет следующую функцию: обеспечивает подстройку приёмной антенны и входного фильтра радиоприёмника на заданную рабочую частоту.

С входной цепи сигнал поступает на усилитель радиочастоты, который обеспечивает выполнение заданных требований по избирательности относительно зеркального канала и осуществляет предварительное усиление принимаемого сигнала и исключения паразитного излучения гетеродинов. В первом и во втором смесителе осуществляется преобразование частоты радиосигнала соответственно в сигналы первой и второй промежуточных частот. Гетеродинные напряжения поступают с синтезатора частот. В первом и во втором усилителе промежуточной частоты осуществляется усиление сигналов первой и второй промежуточных частот. Со второго усилителя промежуточной частоты сигнал поступает на детектор. В зависимости от вида модуляции принимаемых сигналов детектор может быть амплитудным, частотным, фазовым или пиловым. Для обеспечения оперативного управления и контроля современные радиоприёмники имеют в своем составе устройство управления и контроля. Синтезированная структурная схема представлена на рисунке 1. Далее сделаем выбор промежуточных частот.

ВЫБОР ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ЧАСТОТ

Важным этапом проектирования является выбор номиналов промежуточных частот радиоприёмника. Значения промежуточных частот могут быть оценены с помощью соотношений:

f
1ПР,

(11)

f
2ПР,

(12)

Где

f
0

max

- верхняя частота диапазона радиоприёмника;

а -
параметр рассогласования антенно-фидерного устройства и выхода радиоприёмника (а=1 при настроенной антенне в режиме согласования);

d
3 ТР

=1000 - требуемое подавление зеркальной помехи;

Q
РЧ

=50 -
результирующая добротность контуров тракта радиочастоты;

f
ПЧ

=792 Гц
- полоса пропускания тракта ПЧ;

Q
ПЧ

=50 -
добротность контуров тракта ПЧ;

F
(ППЧ
)=0,64 -
функция, учитывающая особенности тракта ПЧ;

f
1ПР


134 МГц,

f
2ПР

254,43 Кгц.

С точки зрения унификации были выбраны значения промежуточных частот:

f
1ПР

=14 МГц,

f
2ПР

=265 КГц.

После выбора структурной схемы и определения промежуточных частот была синтезирована функциональная схема.

РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ

Функциональная схема - это графическое изображение радиоприёмника, представленное его основными функциональными частями и связями между ними в виде условных графических обозначений, установленных в стандартах ЕСКД.

На этапе разработки функциональной схемы радиоприёмника необходимо решить следующие основные задачи:

* произведено разбиение диапазона рабочих частот на поддиапазоны;

* проведено распределение избирательности по трактам;

* произведено распределение усиления радиоприёмника по трактам;

* проведен выбор элементной базы для основных каскадов радиоприёмника;

* определён состав трактов;

При проектировании радиоприёмника предназначенного для работы в широком диапазоне радиочастот, заданный диапазон рабочих частот должен быть разбит на несколько поддиапазонов. На практике применяются два основных способа разбиения на поддиапазоны: способ равных коэффициентов перекрытия КПД

способ равных частотных поддиапазонов

КПД
=
f
2

/
f
1

=
f
3

/
f
2

=...=
fn

/
fn

-1,

f
ПД

=
f
2

-
f
1

=
f
3

-
f
2

;

При распределении усиления было учтено, что в первых каскадах оно ограничено от 5 до 10, в тракте первой промежуточной частоты, усиление в тракте УЗЧ должно быть с учётом оконечных устройств.

На завершающем этапе разработки функциональной схемы радиоприёмника решается задача выбора количества и типов каскадов трактов радиочастоты, промежуточной и звуковой частот.

Рассчитаем количество поддиапазонов следующим образом:

КПД
=
fmax

/
fmin

=60/30=2,

следовательно схема имеет два полосовых фильтра.

Таким образом, исходя из решения задачи функциональная схема имеет вид, представленный на рис.2 Входной сигнал поступает на антенно-фидерное устройства и входа первого каскада усилителя радиочастоты.. также эти фильтры осуществляют селекцию принимаемого сигнала. Выделенный в фильтрах Z1 и Z2 полезный сигнал поступает на усилитель радиочастоты, в котором осуществляется усиление, а также осуществляется избирательность по зеркальному каналу. Для этого к выходу усилителя радиочастоты подключают фильтр. В целом этот тракт является трактом радиочастоты. Он осуществляет первичную обработку радиосигнала. Поэтому сигнал, поступивший на преобразователь 1 промежуточной частоты окончательно «взберется по зеркальному каналу и помощью фильтра выделится полезный сигнал.

Помехи и низкочастотные составляющие отфильтровываются. После смесителя сигнал усиливается. Дальнейшая обработка происходит в смесителе и усилителе промежуточной частоты , где осуществляется преобразование по частоте. Далее сигнал попадает в усилитель промежуточной частоты где происходит избирательность по соседнему каналу, то есть помехи ослабляются, АРУ поддерживает требуемое отношение сигнал/шум на выходе фильтра, а также поддерживается постоянным коэффициент усиления радиоприемника, при изменении входного сигнала. Затем сигнал поступает в частотный тракт который в своем составе содержит ограничитель амплитуды, частотный детектор. Продетектированный сигнал усиливается в УЗЧ и поступает на оконечное устройство.

На схеме обозначено:

WA- приемная антенна;

SA11
, SA21
- переключатели поддиапазонов;

Z1, Z2 - полосовые фильтры;

A1...A5 - УРЧ:

А1, А2 - усилители радиочастоты;

А3, А4 - УПЧ;

А5 - УЗЧ;

UZ1, UZ2 - смесители;

UR- детектор.

После разработки и обоснования функциональной схемы, был проведен, согласно техническому заданию расчет усилителя радиочастоты.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ РАДИОЧАСТОТЫ.

Для выбора элементной базы разрабатываемого блока, в данном случае это усилитель радиочастоты, произведен электрический расчет. Проведен расчет усилителя радиочастоты одного из поддиапазонов.

Коэффициент усиления усилителя радиочастоты изменяется в пределах от 10 до 20. Частота на которой он работает, изменяется в пределах от 30 до 45 МГц. Исходя из технического задания выбран из справочника тип транзистора, который по своим техническим характеристикам наиболее подходит к рассчитанному блоку усилителя радиочастоты, таким является транзистор ГТ308 В
параметры которого:

Ik

0

=2.5 мА,
I
Б0

=7 мкА,
U
кэ0

= 5В, Ек
=12 В.

Для того, чтобы добиться заданных требований по избирательности параметры колебательного контура должны находиться в пределах:

С=10...365 пФ,

собственное затухание контура 0,01...0,03,
затухание катушки связи 0,05.

Входом схемы является входная цепь, далее идет каскад преобразователя частоты на транзисторе.

Посколько R
д

=1,06,
то параметры транзистора и каскада изменяются мало. Поэтому расчет произведен на средней частоте, для которой Y
21

=0,077 сМ, д11
=7 мСм, д22
=1 мСм, С11
=36 пФ, С22=4 пФ.

Принято : д11
0,75*2,8 = 2,1 мСм и С11
0,8*36=29 пФ.

Устойчивый коэффициент усиления каскада:

,

расчет проведен на устойчивый коэффициент усиления. Рассчитаем минимальный каскад пропускания:

;

коэффициент включения антенной цепи и входа первого каскада к контуру:

Р1
=

P
2

=

L
К

=1/(

)=1,25 мГн

Так как входная проводимость равна 2,1*10-3
См, то RВХ
=476 Ом, входная емкость разделительного конденсатора равна СВХ
=29пф. Конденсатор колебательного контура имеет емкость равную Скк
=10-365 пФ, индуктивность колебательного контура Lrr
=1,25 мГН, напряжение питания схемы постоянное 12 В. В соответствии с полученными результатами проведенных расчетов выбрана элементная база.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В данном курсовом проекте, в соответствии с заданием, спроектирован радиоканал цифровой радиосвязи с разработкой радиоприемного устройства и с электрическим расчетом усилителя радиочастоты. Проведен энергетический расчет радиоканала.

При обосновании и выборе структурной схемы радиоприемника, сделан анализ возможных схем радиоприемника, сформулирован критерий по которому может быть выбрана схема проектируемого устройства. Важнейшими параметрами были выбраны : чувствительность и избирательность канала. После выбора схемы электрической структурной радиоприемника обоснованы параметры не указанные в задании на курсовое проектирование.

На этапе разработке схемы электрической функциональной установлены общие принципы функционирования отдельных блоков и всего радиоприемника в целом. Уяснена роль и назначение его отдельных элементов. В процессе синтеза радиоприемника определены не только его каскады в целом, но и место отдельных каскадов тракта радиочастот; тракта промежуточных частот и тд.

На основе схемы электрической функциональной была разработана схема электрическая принципиальная всего радиоприемника. На этом этапе, на основе электрического расчета, также были выбраны полупроводниковые элементы, используемые в схеме.

Разработанное радиоприемное устройство целесообразно использовать в РВСН, так как его характеристики удовлетворяют требованиям предъявляемым к аппаратуре боевого управления, в частности на машине связи.

Дальность связи позволяет использовать данное радиоприемное устройство в позиционном районе ракетного полка для приема сигналов оперативного управления. В тоже время вероятность доведения и трансформации , а также высокая избирательность, позволяют использовать данное радиоприемное устройство для приема сигналов АСБУ.

Рабочий диапазон частот позволяет произвести сопряжение разработанного радиоприемного устройства с другими радиосредствами РК.

Была выбрана неоптимальная с точки зрения элементной базы принципиальная схема. Более целесообразной могла стать схема приемника на одной микросхеме. Например: К174ХА10.

ВЫВОДЫ:

1. Поставленная задача решена полностью.

2. Разработанная схема приемника соответствует требованиям технического задания

ЛИТЕРАТУРА

1. Бобров Н.В., Москва, «Радио и связь», 1981 г., « Расчет радиоприемников».

2. Екимов В.Д,, Павлов П.Н., Связь, 1970 г., «Проектирование РПМИ».

3. Злобин В.И. и др., Серпухов, 1985 г., «Радиопередающие и радиоприемные устройства».

4. Зеленевский В.В., и др., Серпухов, 1994 г., «Радиопередающие устройства».

5. Зеленевский В.В., и др., Серпухов, 1992 г., «Проектирование цифровых каналов связи».

6. Хиленко В.И., Малахов Б.М., Москва, «Радио и связь», 1991 г., «Радиоприемные устройства».