Реферат: Цифровой канал радиосвязи с разработкой радиоприемного устройства и электрическим расчетом блока усилителя радиочастоты
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
Тема:«Цифровой канал радиосвязи с разработкой
радиоприёмного устройства и электрическим
расчётом блока усилителя радиочастоты».
ЗАДАНИЕ
на курсовое проектирование
/>По дисциплине «Д-4242»1.ТЕМА ПРОЕКТА
Цифровой канал радиосвязи с разработкой радиоприёмногоустройства и электрическим расчётом блока усилителя радиочастоты
2.ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
1. Дальность радиосвязи L(км.)- 90;
2. 2. Мощность передатчика Р(Вт)-500;
3. КНД передающей антенны Д (дб) — 1;
4. Тип приёмной антенны АШ;
5. Входное сопротивление антенны R(Ом) — 75;
6. Диапазон рабочих частот/>F(МГц)30...60;
7. Скорость телеграфирования V(Бод)- 240;
8. Отношение Pс/Pш<sub/> (раз) — 9;
9. Коэффициент шума ПРМ N0(раз) — 6;
10. Вид сигнала АМ;
11. Разнос частот Fp (кГц) — 0;
12. Высота размещения антенны H(м) — 14;
13. Избирательность по зеркальному каналу (дб) — 60;
14. Избирательность по соседнему каналу (дб) — 60;
15. Коэффициент нестабильности частоты — 10-7;
16. Длина сообщения N (двоичных символов) — 720;
17. Вероятность доведения РД — 0,999;
18. Вероятность трансформации Pтр — 10-7.
3. ВЫПОЛНИТЬ:
1.Произвести расчёт радиоканала и оценить достоверность цифровой инфор-
мации.
2. Выбор иобоснование электрической структурной и функциональной схем
устройства.
3. Выбор и обоснование электрической принципиальной схемы устройства.
4. Электрический расчёт блока.
4. ПРЕДСТАВИТЬ:
1.Пояснительную записку (25 — 30 листов).
2.Электрическую принципиальную схему устройства (формат А4).
3.Листинг расчётов на ЭВМ.
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
Лист 1 Изм Лист № докум Подпись Дата
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.
Лист
2
Изм Лист № докум Подпись Дата
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 -500С до +500С, 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.
Лист
3
Изм Лист № докум Подпись Дата
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:
Uтр=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:
Uтр=2*/>=0,21*10-6(В).
3.Определена зона расположения приёмника.
Освещена зона (зона прямой видимости) найдена согласно [5]:
Lпр=3,57*(/>), (2)
При этом нижняя зона блокирования определена по формуле [5]:
Lбл=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)
Лист
4
Изм Лист № докум Подпись Дата
Подставляя в формулу значения />, и />были получены:
/>, (6)
где RЭЗ=8,5*106м — эквивалентный радиус Земли.
/>=3,6 м.
Lбл=18*/>=46,6(м).
Lпр=3,57*(/>)=26,7(км).
Сравнивая требуемую дальность радиосвязи Lсв со значением Lпр,получимLпр/>Lсв,
то есть 26,7(км)/>90(км). Следовательно, расчёт напряжённости электромагнитного поля в точке приёма был произведён по формуле Фока, которая имеет следующий вид:
EД=/> , (8), где:
L — длина радиолинии;
Lпр<sub/>- расстояние прямой видимости;
v — коэффициент дифракции;
P1 — мощность подводимая к передающей антенне;
G — коэффициент усиления антенны ПРДУ;
/>-средняя длина волны;
Rзэ — эквивалентный радиус Земли (8500 км);
EД=/>=0,00015 В/м;
4. Зная напряжённость электромагнитного поля в точке приёма, определим действующее значение напряжения на входе приёмника в точке приёма:
UД=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*10-3м;
Нд несим=0,5*Нд сим=4,33*10-3 м.
Лист
5
Изм Лист № докум Подпись Дата
UД=ЕД*НД=0,00015*4,33*10-3=0,65*10-6 В
Проверено выполнение следующего условия: UД/>Uтр/>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.
Лист
6
Изм Лист № докум Подпись Дата
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 Pдов=(1-PЭ)N, гдеPЭ=1,25*10-2, определяется из графической зависимости
PЭ=f(/>),
Pдов=(1-1,25*10-2)720=0,000116604;
После расчёта вероятности доведения информации необходимо проверить условие Рдов/>Рдов треб или 0,000116604/>0,999, 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
Pтр=1-(1-Р0(n,k,d))n/k=5,36*10-9;
Следовательно, если мы сравним с требуемым значением=10-7,
Pтр/>Pтр 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
tи=1 — число гарантированно исправляемых кодом ошибок,
Рэк=1,75*10-2, исходя из этого вычисляем вероятность правильного декодирования:
Лист
/>
7Изм Лист № докум Подпись Дата
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 Р0является 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, kdmin), 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-Pно(n,k,d)]N/K,
где Pно(n,k,d)=/> - выражает вероятность необнаруженной ошибки (трансформации) кодовой комбинации, которая возникает при L1=3 и более, ошибочно принятых двоичных символах.
L1=tи+2=3;
Рно(15,10,4)=/>=5,65*10-8
Ртр15=1-[1-Pно(15,10,4)]15/10=8,4*10-9
Таким образом вероятность доведения дискретного сообщения до получателя РДОВ и связанная с ней вероятность ошибки на бит информации Р0, вероятность трансформации сообщения Ртр15 при заданных дальности радиосвязи, частотно — временных и энергетических затратах являются важнейшими тактико-техническими показателями связи.
Pдов/>PДОВ.ТРЕБ, при Т=const;
Р0/> Р0ТРЕБ, при L=const;
Ртр n/>Ртр nТРЕБ, при Р1=const;
Для разрабатываемой системы радиосвязи обеспечивается выполнение указанных условий при наименьших частотно-временных и энергетических затратах, то есть в этом смысле она почти оптимальна.
Далее был проведён выбор структурной схемы приёмника.
Лист
8
Изм Лист № докум Подпись Дата
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.
Лист9
Изм Лист № докум Подпись Дата
ВЫБОР ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ЧАСТОТ
Важным этапом проектирования является выбор номиналов промежуточных частот радиоприёмника. Значения промежуточных частот могут быть оценены с помощью соотношений:
f1ПР/>,(11)
f2ПР/>, (12)
Где
f0 max<sub/> - верхняя частота диапазона радиоприёмника;
а — параметр рассогласования антенно-фидерного устройства и выхода радиоприёмника (а=1 при настроенной антенне в режиме согласования);
d3 ТР =1000 — требуемое подавление зеркальной помехи;
QРЧ=50 — результирующая добротность контуров тракта радиочастоты;
/>fПЧ=792 Гц — полоса пропускания тракта ПЧ;
QПЧ=50 — добротность контуров тракта ПЧ;
F(ППЧ)=0,64 — функция, учитывающая особенности тракта ПЧ;
f1ПР />134 МГц,
f2ПР/>254,43 Кгц.
С точки зрения унификации были выбраны значения промежуточных частот:
f1ПР=14 МГц,
f2ПР=265 КГц.
После выбора структурной схемы и определения промежуточных частот была синтезирована функциональная схема.
Лист10
Изм Лист № докум Подпись Дата
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=f2/f1=f3/f2=...=fn/fn-1,
/>fПД=f2-f1=f3-f2;
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.
Лист12
Изм Лист № докум Подпись Дата
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.
Лист13
Изм Лист № докум Подпись Дата
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=2.5 мА, IБ0=7 мкА, Uкэ0= 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 Rд=1,06, то параметры транзистора и каскада изменяются мало. Поэтому расчет произведен на средней частоте, для которой Y21=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=/>
P2=/>
LК=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.
Лист15
Изм Лист № докум Подпись Дата
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
Лист
17
Изм Лист № докум Подпись Дата
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».
Лист
17
Изм Лист № докум Подпись Дата