Содержание
Введение
1.Общее описание связного радиопередающего устройства
2.Теоретические основы построения модуляторов
3.Расчет частотного модулятора
Выводы
Списоклитературы
Введение
За последнее время существенно повысился технический уровень электроннойтехники. Быстрое развитие требует создания все более точного и сложногоавтоматизированного технологического оборудования для изобретения более сложныхи совершенных устройств с лучшими характеристиками и параметрами, меньшимигабаритами.
Большое значение имеют средства передачи и приема информации. Сегоднясуществуют различные информационные системы связи: радиорелейная, оптическая,мобильная, спутниковая и другие.
Особое место в электронной технике занимают радиопередающие устройства.
Важно знать общие принципы построения таких узлов радиопередающихустройств как формирователи и преобразователи измерительных сигналов,модуляторы, демодуляторы и др., иметь основные навыки их проектирования,расчета и моделирования.
В данной расчетно-графической работе рассмотрен связной радиопередатчик счастотной модуляцией. Рассмотрены схемы его реализации и принципфункционирования. Описаны различные виды модуляции, такие как амплитудная,фазовая и частотная, а также принцип действия соответствующих им модуляторов.Также приведен расчет одного из основных блоков обработки информации в данномустройстве, а именно частотного модулятора.
1. Общее описание связного радиопередающего устройства
В основе проектирования (интегрализации) радиопередающих устройств (РПУ)на ИС лежат общие принципы проектирования микроэлектронной аппаратуры, которыеприобретают некоторые особенности, связанные со спецификой передающейаппаратуры.
Отличительными чертами РПУ являются:
— аналоговый характер сигнала, его большой динамический диапазон (долимикровольт – единицы вольт);
— широкий частотный диапазон (от постоянного тока – на выходе детектора,до сотен мегагерц или десятков гигагерц – на выходе);
— большое число нерегулярных соединений;
— функциональное разнообразие узлов (блоков) при их относительнонебольшом общем числе.
К функциональным блокам (каскадам) предъявляются разнообразныетребования, часто зависящие от типа сигналов. В некоторых узлах должна бытьобеспечена прецизионность изготовления. Часто оказывается необходимым изменятьпараметры элементов в процессе регулировки аппаратуры, что нежелательно примикроэлектронном исполнении.
На цифровых ИС можно реализовать практически любой алгоритм обработкисигнала, осуществляемый в приемно-усилительных устройствах, включая элементыоптимального радиоприема.
Связные РПУ с частотной модуляцией проектируются для работы на однойфиксированной частоте или в диапазоне частот. В первом случае рабочая частотастабилизируется кварцевым резонатором, а для генерации ЧМ колебаний могут бытьиспользованы как прямой метод управления частотой, так и косвенный. Структурнаясхема передатчика с использованием прямого метода ЧМ изображена на рис.1.
/>
Рис.1. Структурная схема передатчика с прямой ЧМ
Модулирующее напряжение UW подается на варикап, с помощью которого модулируется почастоте кварцевый автогенератор (КГ). Кварцевый генератор работает на частотах10–15 МГц, затем его частота умножается в n раз до рабочего значения, сигнал подается на усилительмощности (УМ) и через цепь связи ЦС в антенну.
Косвенный метод ЧМ основан на преобразовании фазовой модуляции (ФМ) вчастотную при помощи введения в схему интегрирующего звена, т. е. фильтранизких частот (ФНЧ). Структурная схема передатчика с использованием косвенногометода получения ЧМ изображена на рис.2.
/>
Рис.2. Структурная схема передатчика с использованием косвенного методаЧМ
В качестве возбудителя диапазонного передатчика с ЧМ используетсясинтезатор сетки дискретных частот, ведомый генератор которого управляетсядвумя варикапами (рис.3).
/>
Рис.3. Структурная схема ЧМ передатчика с синтезатором частоты
На варикап VD1 подаетсямодулирующее напряжение UW, на варикап VD2 –управляющее напряжение системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).Разделение функций управления объясняется тем, что девиация частоты подвлиянием модулирующего сигнала относительно невелика (3–5 кГц) в сравнении сдиапазоном перестройки ведомого генератора (ГУН) управляющим сигналом с выходасистемы ФАПЧ. Поэтому варикап VD1связан с колебательным контуром ГУНа значительно слабее, чем VD2. Шаг сетки частот на выходепередатчика в зависимости от рабочего диапазона может быть 5; 10; 12,5; 25 кГц.
Для повышения устойчивости необходимо, чтобы мощный оконечный усилителькак можно меньше влиял на работу ГУНа, поэтому производят их развязку почастоте введением в структуру передатчика умножителя частоты. В таком случаешаг сетки синтезатора уменьшается в n раз, где n — коэффициентумножения частоты умножителя.
В данной расчетно-графической работе проведен анализ диапазонногопередатчика с частотной модуляцией. Этот передатчик работает в диапазоне частотот 150 МГц до 160 МГц. При этом он обеспечивает выполнение ниже перечисленных характеристик,является сравнительно простым, малогабаритным и дешевым.
Характеристики передатчика:
1. Р1макс = 500 Вт
2. f = 150 ¸ 160 МГц
3. WФ = 50 Ом
4. Шаг сетки частот 12,5 кГц
5. Питание сетевое – 220 В, 50 Гц
/>
Рис.4. Структурная схема ЧМ передатчика
На рис. 4 приведена общая структурная схема передатчика с прямымполучением ЧМ и с синтезатором частоты.
Модулирующий сигнал от микрофона усиливается в УНЧ. Далее осуществляетсяограничение амплитуды, которое предотвращает увеличение девиации частоты зазаданные пределы при ЧМ. ФНЧ, выполненный на интегрирующей RC-цепочке,ограничивает спектр сигнала до 3,5 кГц. Модулирующий сигнал, усиленный ипрошедший цепи коррекции поступает на варикап ГУНа, где производится частотнаямодуляция несущего колебания.
ГУН выполним по схеме Клаппа, его центральная частота управляется спомощью второго варикапа, на который управляющий сигнал подается с цифровогосинтезатора частоты.
Работа ГУНа происходит по сигналу опорной частоты – />МГц, задаваемой кварцевымгенератором. Для шага сетки частот 6,25 кГц (до умножителя частоты) коэффициентделения опорной частоты составляет/>, приэтом пределы коэффициента деления тракта программируемого делителя частотысоставляют от /> до />. Эти коэффициенты задаютсяпосредством контроллера.
Промодулированный сигнал после ГУНа поступает на умножитель частоты(умножение в два раза), который переводит его в рабочий диапазон и, кромеэтого, производит усиление. Далее сигнал усиливается в предварительных ипредоконечном усилителях до уровня, необходимого для работы оконечного каскада.Оконечный каскад реализован в виде четырех идентичных модулей, выполненных подвухтактной схеме, причем схемы деления и сложения мощности от отдельныхблоков, а также трансформации сопротивлений выполнены на отрезках длинныхлиний.
На выходе передатчика стоит ФНЧ, который подавляет уровень внеполосногоизлучения до заданного. Согласно ГОСТу этот уровень составляет -60 дБ дляданной рабочей полосы и излучаемой мощности. Сигнал с ФНЧ поступает на фидерную50-омную линию и далее в антенну.
2. Теоретические основы построения модуляторов
Модулятор в радиотехнике и дальней связи, устройство, осуществляющеемодуляцию — управление параметрами высокочастотного электромагнитногопереносчика информации в соответствии с электрическими сигналами передаваемогосообщения. Модулятор является составной частью главным образом передающихустройств электросвязи и радиовещания. Переносчиком информации обычно служатгармонические колебания или волны с частотой (называемой несущей илиподнесущей) ~ 104 — 1015 Гц. В зависимости от того, какойпараметр гармонических колебаний или волн изменяется, различают амплитудную,частотную, фазовую или смешанную (например, при однополосной передаче) модуляциюколебаний. Соответственно различны и виды модулятор. При импульсно-кодовоймодуляции переносчиком информации служит регулярная последовательность импульсовэлектрических, параметрами которых (амплитуда, ширина, частота или фазаповторений) управляют с помощью соответствующих типов импульсных модуляторов.Модулирующие электрические сигналы передаваемого сообщения могут иметь самуюразнообразную форму: от простых и медленных телеграфных посылок в виде точек итире или колебаний звукового диапазона частот при передаче речи и музыки досложных, быстро изменяющихся сигналов, применяемых в телевидении или вмногоканальной проводной и радиорелейной связи. Часто в функцию модуляторавходит также усиление модулирующих колебаний.
Непременное требование к модуляции состоит в том, что модулирующееколебание должно изменяться во времени значительно медленнее модулируемого.Поэтому в любом модуляторе сочетаются взаимодействующие цепи модулируемыхколебаний или волн с цепями модулирующего сигнала более низкой частоты.Определяющим в модуляторе является управляющий элемент, посредством которогосигнал воздействует на параметры модулируемых колебаний или волн. Электроннаялампа как универсальный управляющий элемент сохранилась к 1974 главным образомв модуляторах мощных радиопередающих устройств (для них специально разработаныт. н. модуляторные лампы). Со временем при мощностях передатчиков ≤ 0,5 кВтлампы успешно вытеснились транзисторами и другими полупроводниковыми приборами.В устройствах, работающих на СВЧ, наряду с полупроводниковыми приборамииспользуются клистроны, лампы бегущей волны и другие.
При амплитудной модуляции модулятор изменяет амплитуду генерируемых (илиусиливаемых) колебаний с несущей частотой. В сеточном модуляторе ламповогорадиопередатчика модулирующее напряжение воздействует на входную (сеточную)цепь генератора или усилителя высокочастотных колебаний, в анодном модуляторе —на выходную (анодную) цепь генераторной лампы. Сеточный модулятор болееэкономичен, анодный же может обеспечить большую глубину модуляции при малыхискажениях. В транзисторных радиопередатчиках базовый и коллекторный модуляторыявляются транзисторными аналогами соответственно сеточного и анодного ламповых модуляторов.Для получения амплитудно-модулированных колебаний с подавленными колебанияминесущей частоты применяют так называемый балансный модулятор (однополоснаямодуляция).
При частотной модуляции и фазовой модуляции в качестве управляющегоэлемента в модуляторе используются так называемые реактивные устройства, укоторых эффективная ёмкость или индуктивность (или то и другое) изменяется поддействием модулирующего сигнала. Реактивное устройство включается илинепосредственно в резонансный контур задающего генератора, или в последующиефазовращающие цепи радиопередатчика. В ламповых модуляторах такое устройствополучило название реактивной лампы, в транзисторных — реактивного транзистора.Кроме того, в некоторых транзисторных фазовых и частотных модуляторахиспользуют явление сдвига фазы генерируемых колебаний, зависящего приопределённых режимах работы от значения постоянной составляющей коллекторноготока. Широкое применение в качестве реактивного управляющего элемента в модуляторахнаходят варикапы.
При импульсной модуляции в модуляторах управляющими элементами такжеслужат электронная лампа или полупроводниковый прибор, например варикап,который запирает или отпирает волноводный тракт при посылках импульсногомодулирующего напряжения различного знака.
Иногда модулятор входит в состав усилительных устройств, работающих вразличных диапазонах частот — от звуковых до СВЧ. Магнитный усилитель имеет модуляторв виде насыщающегося дросселя электрического, индуктивностью которого управляетток усиливаемого сигнала. В этом случае обычно модулируется переменный токпромышленной частоты, более высокой по сравнению с частотами спектра сигналов —обычно команд в системах автоматики. В диэлектрическом усилителе модуляторпредставляет собой нелинейный конденсатор, ёмкостью которого управляетнапряжение сигнала. Модулятор является составной частью некоторых параметрическихусилителей.
Аналоговый перемножитель сигнала (ПС) является универсальным базовымблоком, выполняющим ряд математических функций: умножение, деление, возведениев квадрат. В ряде случаев функциональные возможности ПС реализуются совместно сОУ. ПС может применяться в качестве модулятора. Рассмотрим основные принципыпостроения модуляторов.
Балансный модулятор может иметь высокую линейность лишь по одному (модуляционному)входу. Второй вход (вход несущей) может запитываться переменным напряжением спостоянной амплитудой, причем уровень несущей может быть достаточно большим ивырождаться в функцию коммутации SН(t) (рис. 5, а).
Физически это означает, что активные элементы модулятора при высокомуровне входного сигнала превращаются в синхронные ключи, при этом модулирующийсигнал UM(t) (рис. 5, б) эффективно коммутируется с частотой несущей SН(t),образуя выходной сигнал в виде (рис. 5, в)
/>, (1)
/>
Рис. 5. Диаграммы, поясняющие работу БМ при воздействии функциикоммутации
где К – коэффициент пропорциональности.
/>
Рис. 6. Схема БМ
Если на модулирующий вход подать сигнал с постоянной составляющей
/>, (2)
где U0– напряжение постоянной составляющей; UM и /> -амплитуда и частота модулирующего напряжения; m=UM/U0, то на выходе ФНЧ БМ будет получен АМ сигнал
/>, (3)
где /> - уровень несущей АМсигнала.
Реализация ПС в виде амплитудного модулятора на основе операционныхусилителей и изменении проводимости полевого транзистора показана на рис.7.Здесь в качестве управляемого параметра используется проводимость канала полевоготранзистора (ПТ), характеристика которой в режиме управляемого сопротивленияаппроксимируется выражением
/>. (4)
/>
Рис. 7. Амплитудный модулятор на основе ПТ и ОУ
Пусть на один вход (в цепь стока ПТ) подается относительновысокочастотный (несущий) сигнал UC1(t), а на второй вход (в цепь затвораПТ) посредством инвертирующего сумматора на ОУ2 с единичным коэффициентомпередачи – низкочастотный (модулирующий) UC2(t) ипостоянная составляющая напряжения U0
/>; (5)
/>; (6)
/>, (7)
где Um1, Um2и />, /> - амплитуды и частоты соответственнонесущего и модулирующего сигналов.
Принимая во внимание (4)…(7) и учитывая, что между затвором и истоком ПТдействует напряжение />, для выходного напряжения амплитудного модулятора всоответствии с формулой /> можнозаписать
/> (8)
или
/> (9)
/>,
где Um0 и m – амплитуда несущей и глубина модуляции получаемого АМ колебания:
/>, (10)
/>. (11)
Линейный частотный модулятор.
Частотная модуляция, так же как и амплитудная, может быть осуществлена вотдельном от автогенератора модуляторе. Это актуально для ряда радиотехническихсистем, в том числе и измерительных, требующих двух синхронизированныхсигналов, один из которых представляет собой немодулированное колебание, адругой – колебание с ЧМ или АМ.
Линейный частотный модулятор (рис.8), реализованный на основе фазовойавтоподстройки частоты (ФАПЧ), удовлетворяет таким требованиям. В составсистемы ФАПЧ входят управляемый по частоте генератор 1, ФИ 2, цифровойчастотно-фазовый демодулятор (ЦЧФД) 3, ДУ 4, сумматор 5 и сравнивающееустройство 6. Для осуществления линеаризации характеристики управления почастоте генератора введены преобразователь частоты в напряжение (ПЧН) 7 ифильтр низких частот (ФНЧ) 8.
/>
Рис. 8. Структурная схема линейного частотного модулятора
Ко второму входу ЦЧФД посредством ФИ 9 подводится сигнал от внешнеговысокочастотного генератора несущей частоты с напряжением />. На второй вход сумматораподается модулирующий сигнал от внешнего низкочастотного генератора снапряжением />. В связи с тем, чточастотный диапазон работы ЦЧФД ограничен, но имеется необходимость получениясигналов с рабочей частотой, превышающей предельную частоту функционированияЦЧФД, в состав линейного частотного модулятора могут быть введены делителичастоты 10 и 11.
При отсутствии одного из делителей (10 или 11) частота /> напряжения на выходеуправляемого генератора может быть ниже или выше частоты несущей /> внешнего генератора:
/>,
где />, />, /> - девиация частоты генератора 1 икоэффициенты деления делителей частоты 10 и 11 соответственно.
Для исключения влияния ЧМ на работу систем регулирования частоты среза /> ФНЧ в ЦЧФД и ФНЧ должныбыть существенно ниже частоты /> (/>).
Линейность частотной модуляции в рассматриваемом модуляторе определяетсялинейностью характеристики ПЧН, входящего в состав системы линеаризации характеристикиуправления генератора. При определенном коэффициенте передачи сравнивающегоустройства достигается привязка характеристики управляемого по частоте генераторак характеристике ПЧН. В соответствии с этим и частотная модуляция в модуляторе(рис.8), реализуемая под влиянием напряжения /> внешнегомодулирующего сигнала, происходит по линейному закону.
Синхронизация несущей частоты управляемого генератора с частотой внешнегогенератора производится посредством системы ФАПЧ.
При несовпадении частот, действующих на входах ЦЧФД, на выходе последнегообразуется разность напряжений соответствующей полярности, которая послеусиления в ДУ, сумматоре и сравнивающем устройстве воздействует на управляемыйгенератор так, что его частота совпадает с частотой сигнала /> внешнего генератора. Болеетого, из-за достаточно большого коэффициента передачи в цепи регулированиясистемы ФАПЧ разность фаз между сигналами, действующих на входах ЦЧФД, устанавливаетсяблизкой к нулю и всякое изменение частоты внешнего генератора сопровождаетсяподстройкой частоты управляемого генератора так, что эта разность фазприобретает определенное значение. Таким образом, частоты внешнего генератора иуправляемого генератора совпадает с точностью до фазы независимо от состоянияпервого генератора.
Зная характеристику управления генератора с учетом коэффициента передачисумматора, который может быть реализован на основе инвертирующей ОС, можноопределить требуемый уровень модулирующего напряжения /> для достижения необходимойдевиации частоты /> выходногосигнала и минимальную модулирующую частоту /> присоответствующем индексе модуляции, например, />.
Характерной особенностью частотного модулятора является то, что прилинейной характеристике управляемого генератора и постоянном уровнемодулирующего напряжения девиация частоты /> остаетсянеизменной при перестройке частоты внешнего генератора и, следовательно,частоты генератора.
3. Расчет частотного модулятора
Выбор основных параметров и активного элемента для расчета ГУН.
ГУН имеет две регулировки частоты: регулировка частоты по диапазону(управляющее напряжение в этом случае поступает с синтезатора сетки дискретныхчастот) и модуляция частоты сигналом. Регулировки производятся с помощью двухварикапов.
Диапазон частот, в котором работает ГУН лежитот 75 до 80 МГц, т.к. после него идет умножитель частоты сигнала в два раза,т.е.
/>
Мощность, которую должен развивать ГУН внагрузке, равна 10 мВт.
/>
Рис.9. Схема ГУН с частотным модулятором
На рис. 9 представлена принципиальная схема ГУНа, расчет которой приведенниже.
Расчет автогенератора.
1. Задаемся фактором регенерации G = 5;
2. Берем коэффициенты Берга из справочника:
/>
3. Определяем первую гармонику тока коллектора
/>
4. Напряжение на коллекторной нагрузке автогенератора
/>
5. Сопротивление коллекторной нагрузки
/>
6. Выберем коэффициент использования по напряжению />
7. Напряжение питания /> выберемстандартное ЕК=12В;
8. Мощность, подводимая к автогенератору
/>
9. Рассеиваемая на коллекторе мощность
/>
10. Коэффициент обратной связи
/>
11. Напряжение обратной связи
/>
12. Входное сопротивление автогенератора
/>
13. Постоянная составляющая тока базы
/>
14. Смещение на базе
/>
Расчет частотного модулятора непосредственно.
Параметры сообщения:
/>
где m – индекс модуляции,
Df –девиация частоты на выходе передатчика.
Тогда:
/>
– ширина спектра радиочастот передаваемого сигнала;
/> – диапазон изменения частоты ГУНа;
/> – средняя частота автогенератора;
/> – девиация частоты на выходе автогенератора.
Расчет частотного модулятора по сигналу />
Расчет ведем исходя из следующих величин:
/>– добротность нагруженного контура;
/>– напряжение питания;
/>– емкость контура автогенератора;
/>– амплитуда высокочастотного колебательного напряженияна контуре;
/>– коэффициент гармоник;
/> – показатель степени для «резкого»перехода.
1. Выбираем варикап 2В125Б, которыйимеет следующие параметры:
/>
2. Относительная девиация частоты:
/>.
3. Напряжение смещения на варикапе />,при этом емкость варикапа />, а егодобротность />.
4. Нормированная амплитуда модулирующего сигнала:
/>.
5. Амплитуда модулирующего напряжения:
/>.
6. Коэффициент управления емкостью контура:
/>.
7. Необходимое изменение емкости контура:
/>.
8. Выберем коэффициент схемы />, тогдакоэффициент включения варикапа в контур:
/>.
9. Емкость конденсатора связи:
/>.
10. Сопротивление делителя напряжения при токе />:
/>
11. Необходимое изменение емкости варикапа в процессе модуляции:
/>.
12. Амплитуда высокочастотного напряжения на варикапе:
/>.
13. Проверка режима работы варикапа:
/>.
14. Коэффициент паразитной амплитудной модуляции:
/>
15. Коэффициент нелинейных искажений:
/>,
где
/>
Допустимые нелинейные искажения 7..15%.
Расчет варикапа для перестройки частоты по диапазону.
Для перестройки ГУНа от fН до fВ необходимо изменять емкость контура, для этого параллельно кемкости С3 (главная составляющая общей емкости контура) череземкость связи подключим варикап (см. рис. 9).
Определим, как изменяется общая емкость колебательного контура: начастоте /> она составит />, а на частоте /> она возрастет до />, т.е. варикап долженобеспечить изменение емкости контура на 0,7пФ.
При параллельном подключении варикапа к емкости С3 необходимоизменять ее величину (при неизменных значениях остальных емкостей) в пределах />.
1. Выбираем варикап2В125Б, параметрысмотри выше;
2. Задаем напряжение смещения на варикапе />,при этом емкость варикапа />;
3. Зададимся изменением емкости варикапа в /> (от9,5 до 10,6пФ) при этом необходимо изменять управляющее напряжение на варикапеот –3,5 до –4,5В (это напряжение поступает с вывода 2 микросхемы КФ1015ПЛ3Асинтезатора частоты).
4. Коэффициент включения варикапа в контур/>
5. Емкость конденсатора связи />;
6. Значения сопротивлений /> выберемисходя из следующего соображения:
/>
Выводы
При выполнении данной расчетно-графической работы были рассмотреныосновные характеристики и принцип работы связного радиопередающего устройства,использующего частотную модуляцию.
Связные РПУ с частотной модуляцией используются для работы на однойфиксированной частоте или в диапазоне частот. В первом случае рабочая частотастабилизируется кварцевым резонатором, а для генерации ЧМ колебаний могут бытьиспользованы как прямой метод управления частотой, так и косвенный. В качествевозбудителя диапазонного передатчика с ЧМ используется синтезатор сеткидискретных частот, ведомый генератор которого управляется двумя варикапами.
В данной работе более подробно проведен анализ диапазонного передатчика счастотной модуляцией. Этот передатчик работает в диапазоне частот от 150 МГц до160 МГц. Он является сравнительно простым, малогабаритным и дешевым.
В работе объясняются принципы действия балансного, амплитудного ичастотного модуляторов. Одним из основных требований к модуляции является то,что модулирующее колебание должно изменяться во времени значительно медленнеемодулируемого.
Для расчета был выбран такой блок обработки информации как частотный модулятор.Рассчитаны девиация частоты на выходе автогенератора и передатчика, ширинаспектра радиочастот передаваемого сигнала, а также основные характеристикичастотного модулятора по модулирующему сигналу, такие как относительнаядевиация частоты, нормированная амплитуда модулирующего сигнала, коэффициентпаразитной амплитудной модуляции, коэффициент нелинейных искажений и другие.
Список литературы
1. Петров К.С.Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника: Учебное пособие для вузов. –СПб: Питер, 2003. – 512 с.
2. Свирид В.Л. Микросхемотехникааналоговых электронных устройств: Учеб. Пособие для радиотехн. спец. вузов. –Дизайн ПРО, 1998. – 256с.
3. Акимов Н.Н. и др. Резисторы,конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА:Справочник / Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренок. Мн.:Беларусь, 2005. – 591 с.