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

Тема: «Цифровой  канал  радиосвязи  с   разработкой     

            радиоприёмного устройства и электрическим

           расчётом   блока   усилителя  радиочастоты».

на курсовое проектирование

По дисциплине «Д-4242»

1.ТЕМА ПРОЕКТА

Цифровой канал радиосвязи с разработкой радиоприёмного устройства 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 частотF(МГц)30...60;

7.   Скорость телеграфирования V(Бод) - 240;

8.   Отношение P_с/P_ш  (раз) - 9;

9.   Коэффициент шума ПРМ N₀(раз) - 6;

10. Вид сигнала АМ;

11. Разнос частот F_p (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 Р_Д - 0,999;

18. Вероятность трансформации P_тр - 10^-7.

 

3. ВЫПОЛНИТЬ:

 

1. Произвести расчёт радиоканала и оценить  достоверность  цифровой  инфор-

мации.                                                                                                               

 

2. Выбор  и обоснование  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,получим LпрLсв, 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 - 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: UДUтр065*10-6021*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, где PЭ=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 РдовРдов 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 Pтр=1-(1-Р0(n,k,d))n/k=5,36*10-9;    Следовательно, если мы сравним с требуемым значением =10-7,  PтрPтр треб5,36*10-910-7, 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
						7
Изм	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 Р0 является одним из ключевых требований, которые предъявляет заказчик на проектируемую систему связи, при этом обязательно должно выполняться условие Р0Р0.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-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. PдовPДОВ.ТРЕБ,     при Т=const; Р0 Р0ТРЕБ,       при L=const ; Ртр nРтр n ТРЕБ, 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.
						Лист
						9
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  - 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, f2ПР254,43 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.
						Лист
						10
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.
						Лист
						12
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.
						Лист
						13
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: Ik0=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 : д110,75*2,8 = 2,1 мСм и С110,8*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.
						Лист
						15
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