Разработка радиоприемного устройства импульсных сигналов

РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

Данное радиоприемное устройство диапазона СВЧ с ВИМ предназначено для организации радиорелейной связи и обеспечения приема многоканальных сигналов с временным уплотнением, с фазово (временно) импульсной модуляцией или приема цифровой информации. Данное РПУ входит в состав приемно-передающей промежуточной станции радиорелейной линии связи, т.е. является стационарным оборудованием. Отношение напряжения сигнала к напряжению шума является одним из наиболее важных параметров радиорелейной линии, т.к. оно определяет, по существу, возможную дальность связи, т.е. такое число ретрансляции, при котором напряжение шума в канале не превышает величины допустимой для телефонной передачи.

ВЫБОР СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

При выборе структурной схемы приемного устройства мы должны учитывать требования технического задания, а именно: обеспечение сравнительно высокой чувствительности, избирательности, стабильности частоты гетеродина, а также учитывать минимум искажения формы импульсных сигналов при их усилении. Опираясь на вышесказанное можно остановить свой выбор на супергетеродинной схеме приемника. Для постоянства уровня выходного сигнала при значительных изменениях его на входе, придется включить в схему систему АРУ и несколько каскадов УПЧ. Избирательность по «зеркальному» каналу будет обеспечивать преселектор, а избирательность по соседнему каналу - неперестраеваемые фильтры каскадов УПЧ. После детектора, который выделяет огибающую радиоимпульса, находится видео усилитель (широкополосный усилитель т.к. спектр импульса занимает широкий диапазон частот и необходимо выполнить условие о неискажении формы импульсного сигнала при усилении), далее система АРУ, регулирующая входное напряжение первых каскадов УПЧ, которые осуществляют основное усиление на промежуточной частоте. После видео усилителя находится оконечное устройство, в качестве которого может быть УГС (усилитель групповых сигналов).

Структурная схема РПУ представлена на рис.1

ВЫБОР СХЕМЫ ГЕТЕРОДИНА И ЕГО ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

При выборе схемы гетеродина, его рабочей частоты с учетом обеспечения заданных требований по стабильности частоты, необходимо учитывать, что при высокой частоте гетеродина, отклонение промежуточной частоты от номинального значения, на которое настроены селективные цепи тракта УПЧ, может быть довольно значительным (из-за нестабильности гетеродина), что ведет к уменьшению коэффициента усиления тракта, т.е. к ухудшению селективности и чувствительности РПУ вследствие смещения спектра сигнала промежуточной частоты относительно полосы пропускания тракта УПЧ. При «нижней» настройке (т.е.fc>fг) селективность тракта УПЧ по «зеркальному» каналу обычно выше, чем при «верхней» настройке, в силу несимметричности частотной характеристики колебательного контура. Отсюда ориентировочно f г6*10-8

Определяем коэффициент передачи детектора и входное сопротивление по кривым, приведенным на рис.9.2 и 9.5 [1]

при Rн / Ri =11000/120=92 Кd=0.92

при Кd=0.92 имеем Rвхд / Ri=70 отсюда Rвхд =70*Ri Rвхд=120*70= 8,4 КОм

РАСЧЕТ СИСТЕМЫ АРУ.

Расчет системы АРУ начнем с расчета пикового детектора и фильтра нижних частот. Исходя из того, что значение постоянной времени цепи регулирования 47,04 мкс Тф 0,56 мс полагаем Тф =0,1 мс.Принимая Rф=10 Ком находим емкость фильтра . Сф= Тф / Rф= 0,1*10-3/104= 10нФ [1]

Находим постоянную времени заряда емкости нагрузки детектора з = 0,2 * и = 0,2*1,2*10-6 = 0,24 мкс ,где и - длительность импульсов. В качестве диода с большим обратным сопротивлением выбираем диод типа Д2В. Определяем величину емкости нагрузки детектора Cн Cнд, Cнд = з /( Rн + Ri ) [1] , где Rн =150 Ом - сопротивление нагрузки, Ri= 120 Ом - внутреннее сопротивление диода Cнд = 0,24*10-3/(120+150)=0,9 нФ

Теперь надо найти сопротивление нагрузки детектора АРУ.

Rнд= р / Cнд , где р -время разряда емкости [1]

р 0,1* Тф /4*Мmax , р 0,1*0.1*10-3/4*8.4; р 0.29мкс

возьмем р = 0,16 мкс Rнд=0,16*10-6/0,9*10-9=182 Ом

Далее найдем коэффициент передачи детектора:

Кд= р[1-exp(- и/ з)][ 1-exp(- и/ p)]/ Tи *[1-exp((- и/ p) +( и/ з)] [1]

Tи= 2.8 мкс

Кд= 0,2*10-6[1-exp(-6)][1-exp(-7.5)]/2.8*10-6*[1-exp(-2.5)]= 0.06

Рассчитаем цепь задержки, задаваясь напряжением смещения Uсм =12,6 В и током диода Iд=7,6 мА

R2 0.01* Rнд=0.01*182=1.8 Ом

R1= (Uсм-Ез )/Iд = (12,6 – 5)/7,6*10-3= 1 КОм

C1=50/(2 f пр R1)=50/6,28*30*106*103= 270 пФ

Теперь определяем элементы и их значения для межкаскадных развязывающих фильтров. Полагая

Rрф= 10 КОм , Cрф= 20/(2 f пр Rрф) имеем Cрф=20/(6,28*30*106*104)= 11пФ

Схема системы АРУ приведена на рис. 9

РАСЧЕТ АЧХ ТРАКТА УПЧ.

Резонансная система представляет собой два контура, связанных между собой при критическом параметре связи  =1. Рассчитаем частотную характеристику Н( )

Н =(2/ )n/2 [2] , где n=4 - число каскадов УПЧ

= 2 f / dэ f пр -текущая расстройка; f -величина расстройки, отсчитываемая от f пр=30МГц dэ = 0,116 эквивалентное затухание контуров;

Полученные результаты заносим в таблицу N 2

ТАБЛИЦА 2

f,МГц

Н 1/Н,дб f,МГц

Н 1/Н,дб

0 0 1 0 6,5 3,736 0,02 33,928

0,5 0,287 0,998 0,014 7 4,023 0,015 36,454

1 0,574 0,974 0,233 7,5 4,31 0,012 38,817

1,5 0,862 0,787 1,123 8 4,598 0,009 41,042

2 1,149 0,697 3,142 8,5 4,885 0,007 43,129

2,5 1,437 0,484 6,303 9 5,172 0,006 45,099

3 1,724 0,312 10,126 10 5,747 0,004 48,746

3,5 2,012 0,196 14,146 11 6,322 0,003 52,049

4 2,299 0,125 18,044 12 6,897 0,002 55,067

4,5 2,586 0,082 21,713 13 7,471 0,001 57,84

5 2,874 0,055 25,133 14 8,046 0,0009 60,413

5,5 3,161 0,039 28,286 15 8,621 0,0007 62,809

6 3,448 0,028 31,207 16 9,195 0,0006 65,048

РАСЧЕТ АМПЛИТУДНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИЕМНИКА

С ВКЛЮЧЕННОЙ АРУ.

Для упрощения расчетов используем линейную аппроксимацию амплитудной характеристики, которая находится из соотношения: U вых = UвхminKo+(U вх – Uвхmin) Ko (D вых –1 )/(D вх-1) [7] где Ko =617284 - коэффициент усиления тракта УПЧ при действии системы АРУ; Uвхmin = 8.1*10-6 B- напряжение на входе первого регулируемого каскада УПЧ , при котором начинает работать система АРУ: (D вых –1 )/( D вх -1)=(2-1)/(10000-1)=1*10-4 Uвыхmin= Ko Uвхmin= Ез =5 В Uвхmax= Uвхmin D вх= 8.1*10-6*10000= 81 мВ Результаты расчета сведены в таблицу N3.

ТАБЛИЦА 3

Uвх,мкВ Uвых,В Uвх,мкВ Uвых,В Uвх,мкВ Uвых,В

10 5,00 15000 5,9 55000 8,4

100 5,01 20000 6,2 60000 8,8

500 5,03 25000 6,5 65000 9,0

1000 5,06 30000 6,85 70000 9,3

2500 5,15 35000 7,2 75000 9,6

5000 5,3 40000 7,5 80000 9,9

7500 5,5 45000 7,8 82000 10,6

10000 5,6 50000 8,1

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРИЕМНИКОВ.

ИЗМЕРЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ.

Для СВЧ приемников чувствительность принято оценивать по величине мощности сигнала на входе приемника, при которой: при заданном отношении сигнал/шум на выходе обеспечивается определенная реальная и предельная. Предельная чувствительность приемника характеризуется величиной мощности входного сигнала при отношении сигнал / шум р =1 на входе .Реальная чувствительность (Рас) приемника характеризуется наименьшим значением мощности сигнала на входе приемника, при котором на выходе приемника обеспечивается заданное значение отношения сигнал / шум р =10.

Уровень внешних шумов в СВЧ диапазоне сравнительно невысок и поэтому чувствительность СВЧ приемников ограничивается их собственными шумами и коэффициентом усиления, при этом чувствительность тем выше, чем больше коэффициент усиления, т.е. при измерениях желательно отключать систему АРУ, которая ограничивает амплитуду сигнала и шумов, при максимальном усилении. Для исключения действия различных электромагнитных наводок измерение следует проводить в экранированной камере (помещении) при заданных значениях температуры, влажности и давления.

Таким образом, для измерения реальной чувствительности СВЧ приемника необходимо найти значение предельной чувствительности Рпр = NKTш Пш = Ршвых/Кпр и умножить на заданное отношение сигнал / шум р =10. Рас = р Рпр= р NKTш Пш [2] где N- коэффициент шума приемника; К= 1,38 *10-23 Дж/град- постоянная Больцмана; Тш- шумовая температура приемника Пш- шумовая полоса пропускания Кпр- коэффициент усиления линейной части приемника Рш вых- мощность шумов на выходе приемника при р= 1 Для замера предельной чувствительности приемника необходимо поместить его в экранированное помещение при заданных внешних условиях, отключить или нейтрализовать действие системы АРУ и закоротив вход