МИНИСТЕРСТВООБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» (ГОУВПО «ВГТУ»)
Радиотехническийфакультет
Кафедра радиотехники
КУРСОВОЙПРОЕКТ
по дисциплине«Устройства генерирования и формирования сигналов»
Тема курсовогопроекта Радиопередатчик радиорелейной линии с цифровой модуляцией
Расчетно-пояснительнаязаписка
Воронеж 2010
Содержание
Введение
1. Выбор структурной схемы разрабатываемого устройства
2. Расчёт структурной схемы разрабатываемого устройства
3. Электрический расчёт автогенератора
4. Электрический расчёт модулятора
Заключение
Список используемой литературы
Введение
Радиорелейная связь—радиосвязь, осуществляемая при помощи цепочки приёмо-передающих радиостанций,как правило, отстоящих друг от друга на расстоянии прямой видимости их антенн.Каждая такая станция принимает сигнал от соседней станции, усиливает его ипередаёт дальше — следующей станции. Применительно к радиорелейной связитермин«relay» означает восстановление сигналов на каждой промежуточной станции,замену слабого сигнала сильным. Радиорелейнуюсвязь используют для многоканальной передачителефонных, телеграфных и телевизионных сигналов на дециметровых исантиметровых волнах. Диапазоны ДМ и СМ волн выбраны потому, что в них возможнаодновременная работа большого числа радиопередатчиков с шириной спектра сигналовдо нескольких десятков МГц, низок уровень атмосферных и индустриальных помехрадиоприёму, возможно применение остронаправленных антенн. Т. к. устойчивоераспространение ДМ и СМ волн происходит только в пределах прямой видимости, тодля связи на больших расстояниях необходимо сооружать значительное количестворетрансляционных станций. Для того чтобы расстояние между станциями было какможно больше, их антенны устанавливают на мачтах или башнях высотой 70—100 м,по возможности на возвышенных местах. На равнинной местности расстояние междустанциями обычно составляет 40—50 км, но применение (в отдельных звеньяхцепочки) станций тропосферной радиосвязи позволяет увеличить это расстояние до250—300 км. Радиорелейная связь обеспечивает многоканальность, высокую пропускную способность, большуюдальность связи, дуплексность каналов и трактов, строгую нормированностькачественных показателей и электрических характеристик каналов и трактов,низкий уровень в них шумов и помех. Радиорелейная связь сочетает в себедостоинства как радиосвязи, так и проводной многоканальной связи и занимаетпромежуточное положение: многоканальные сигналы передаются и принимаются средствамирадиосвязи, но формируются, особенно при частотном уплотнении, средствамипроводной связи. При этом радиорелейные линии обеспечивают такое же качествосвязи и достоверность передачи информации, как и линии проводной дальней связи.К недостаткам радиорелейной связи можно отнести необходимость обеспеченияпрямой геометрической видимости между антеннами соседних станций, необходимостьиспользования высокоподнятых антенн, использование промежуточных станций дляорганизации связи на большие расстояния, что является причиной снижениянадежности и качества связи, громоздкость аппаратуры, сложность в строительстверадиорелейных линий в труднодоступной местности. Несмотря на недостатки,радиорелейные линии связи получили широкое распространение во всех областях народногохозяйства, а также в вооруженных силах для управления войсками. Радиорелейныелинии широко используются для коммерческой связи и для обмена программ вещанияи телевидения между различными странами всех континентов.
РРЛ классифицируют последующим взаимосвязанным признакам:
• скорости передачи, взависимости от которой различают РРЛ:
– высокоскоростные(скорость передачи свыше 140 Мбит/с);
– среднескоростные (до 52Мбит/с);
– низкоскоростные (до 8Мбит/с);
• емкость
– однопролетные;
– многопролетные.
Современная аппаратурадля радиорелейных линий и сетей связи прямой видимости выпускается на диапазонычастот 2, 4, 6, 8, 11, 13, 15, 17, 23, 27 и 38 ГГц. Основной принцип работырадиорелейной линии связи — многоканальный сигнал поступает по соединительнойлинии на оконечную станцию РРЛ от междугородной телефонной станции.На оконечнойстанции проходит процесс модуляции. Модуляция очень часто делается на промежуточнойчастоте 70 или 140 МГц (существуют и другие стандарты). После модуляции сигналпромежуточной частоты подается в передатчик. Передатчик предназначен дляпреобразования модулированного сигнала промежуточной частоты в рабочий диапазончастот линии связи, усиления сигнала и подачи его в антенно-фидерный тракт.Усиленный в передатчике сигнал с мощностью от десятков милливатт до несколькихватт подается в антенну с коэффициентом усиления 35-45 дБ и излучается внаправлении приемной станции.
Главной задачей курсового проектирования являетсявыбор наиболее эффективных путей реализации технических условий напроектируемое устройство. Обязательны требования по обеспечениюэлектромагнитной совместимости – допустимые нестабильности радиочастоты иуровни побочных и внеполосных излучений.
Целью данного курсовогопроекта является разработка передатчика для оконечной станции радиорелейнойлинии связи с восьмиуровневой относительной фазовой манипуляцией в качествевида модуляции.
При относительной фазовой модуляции взависимости от значения информационного элемента изменяется только фаза сигналапри неизменной амплитуде и частоте. Причем каждому информационному битуставится в соответствие не абсолютное значение фазы, а ее изменениеотносительно предыдущего значения. В данном случае модуляция — восьмиуровневая,то есть каждому повороту фазы соответствует три бита информационнойпоследовательности, а значит фаза в зависимости от значения три-бита (000, 001,010, 011, 100, 101, 110 и 111), фаза сигнала может измениться на 0°,45°, 90°,135°,180°,225°, 270° и 315° соответственно.
1. Выборструктурной схемы разрабатываемого устройства
Выполнение предъявляемыхк современному передатчику технических требований оказывается сложной задачей. Дляудовлетворения всех требований приходится использовать прием разделения функциймежду отдельными составными частями устройства так, чтобы каждая частьвыполняла в полной мере свою задачу, в соответствии с установленнымитребованиями, и не мешала бы другим частям устройства столь же точно выполнятьих функции. Структурная схема дает возможность увидеть устройство и принципы работыприбора уже на самом раннем этапе проектирования, она позволяет разработчикувыбрать оптимальную структуру передатчика, определить количество составныхчастей и технические требования к ним. Проще говоря, структурная схема даетвозможность увидеть устройство и принципы работы прибора уже на самом раннемэтапе проектирования. Структурная схема разрабатываемого передатчика приведенана рисунке 1.
По данной структурнойсхеме можно достаточно подробно описать разрабатываемое устройство, определитьнеобходимое усиление определённых каскадов.
Сигнал от абонентапоступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП), далее цифровойсигнал поступает на один из входов формирователя три-битной последовательностив модуляторе (М) в который подаётся сигнал с генератора промежуточной частоты(ПЧ). После чего через элементы задержки, в зависимости от цифровойпоследовательности, коммутатор, также находящийся в модуляторе, подключает навыход сигнал с генератора ПЧ. Модулированный на промежуточной частоте сигналпропускается через полосовой фильтр (ПФ1), усиливается в предварительномусилителе (ПУ) и переносится на СВЧ при помощи смесителя СВЧ. На смеситель СВЧчерез вентиль подаётся СВЧ сигнал, вентиль нужен для того, чтобы в случаерассогласования отразившийся сигнал не вывел из строя генератор. Перенесённыйна СВЧ сигнал снова усиливается основным усилителем (У), фильтруется полосовымфильтром (ПФ) и подводится к антенне, для излучения его в эфир. Вентиль,стоящий перед полосовым фильтром, нужен для того, чтобы в случаерассогласования с антенной или фильтром, отражённый сигнал не повредил цепиусилителя и смесителя СВЧ.
2. Расчётструктурной схемы разрабатываемого устройства
В результате расчета структурной схемы определяетсячисло каскадов, уточняется их вид, взаимосвязь и общие характеристики.
Расчет начинается с последнего каскада структурнойсхемы, так как в соответствии с заданием проектируемый передатчик долженобеспечить на выходе требуемые характеристики.
Сопротивление нагрузки: 50 Ом.
Минимальная мощность (Pn), отдаваемаятранзистором оконечного каскада (ОК) в нагрузку: 28 Вт.
Несущая частота: 1.7 ГГц.
Колебательная мощность, отдаваемая транзистором ОК:
Pk=1.2*Pn(1)
По формуле (1) получаем:Рk= 33.6 Вт.
В усилительных каскадахпередатчиков, чтобы исключить возможность самовозбуждения, обычно, используюттранзисторы, не имеющие большой запас по граничной частоте и рассеиваемоймощности. При выборе транзистора, чаще всего, задаются следующими условиями:
0.3fT
/>
где /> – рабочая частота, />– граничнаячастота передачи тока по схеме с общим эмиттером
Как видно из формулы (2),для достижения требуемых параметров усилителя нам подойдёт транзистор КТ948А (параметрытранзистора приведены в приложении А).
Коэффициент усиления помощности каскада определяется по формуле:
/>
, (3)
где Kpt = 10, ft = 1950, Pt =40 и Ekt = 45 – экспериментальные параметрытранзистора (приложение 1), f=1700МГц – частота усиливаемого сигнала, P1=28 Вт – мощность усилителя, Ek – напряжение питания.
По формуле (3) получаемкоэффициент усиления по мощности ОК: Kp=12.8.
Мощность, поступающая свыхода предоконечного каскада(ПОК) на вход ОК определяется по формуле:
/>
(4)
Из формулы (4) получаем Pvh=2.625 Вт, то есть на выходе ПОК, сучётом потерь в согласующей цепи, мы должны обеспечить мощность 3.1Вт.
Выберем транзистор дляпредоконечного каскада типа 2Т937Б-2. Его характеристики приведены в приложенииА. Коэффициент усиления пред-оконечного каскада рассчитывается также, как и дляОК и равен Kpпок=40.
Для увеличениястабильности ПОК можно ввести в его цепи дополнительные затухания и тем самымуменьшить коэффициент усиления доKpпок=20. Мощность, поступающая на входПОК со смесителя рассчитывается по формуле (4) и составляет Pvhпок=0.156 Вт.
Таким образом для обеспечениявыходной мощности передатчика необходимо использовать два каскада основногоусиления реализованных на транзисторах КТ948А и 2Т937Б-2. Характеристикивыбранных транзисторов приведены в приложении А. Далее необходимо обеспечитьнеобходимую мощность на выходе смесителяPvihсм=0.156 Вт. Приняв во внимание, чтокоэффициент полезного действия смесителя составляет ηсм =30…50%, мощность на входе смесителяPvhсм = 0.156/0.3= 0.52 Вт.
Далее необходимоопределить полосу частот занимаемую информационным сигналом:
/>(5)
Согласно техническомузаданию число каналов 360, к каждым пятнадцати каналам добавляется одинслужебный, поэтому число каналов возрастёт до 384. Так как в качестве типа модуляциивыбрана 8ОФМ, то для такого количества каналов можно выбрать скорость передачи B = 2.048Мбит/с, а m = 3. Подставляя данные в формулу (5)получим полосу частот больше чем 1.5МГц. Для обеспечения допустимого уровняискажений примем полосу 7МГц.
Выходноесопротивление нашего каскада необходимо согласовать с фидером ведущим к антеннесопротивлением 50 Ом. Согласование проведем с помощью микрополосковых линий.Определим волновое сопротивлении линии и ее электрическую длину по формулам:
/> (6)
/> (7)
Получаем
/>=118 Ом, />=1.57
Спомощью программы TXLINE 2003определим параметры микрополосковой линии. Экран программы приведен на рисунке2
Спомощью программы определили:
Материалдиэлектрика – воздух
Материалнапыления — медь
Длинамикрополосковой линии (L) — 43.9 мм
Ширинамикрополосковой линии(W) –0.29 мм
Толщинамикрополосковой линии – 0.254 мм
Толщинанапыления меди – 0.001 мм
3.Электрический расчёт схемыавтогенератора
Электрический расчёт автогенератора проводится сиспользованием ЭВМ. Основным программным обеспечением для математических расчётовявлялся пакет математического моделирования Mathcad 15. Такжепо данным расчёта было проведено моделирование данного генератора в программе ElectronicWorkbench.
Так как генератор рассчитывается для применения вкачестве генератора промежуточной частоты в модуляторе, то следует обратитьвнимание на условия выбора его частоты.
Обязательным условиемуспешной реализации УМ на несущей частоте является [3]:
Fгр,maxFнFраб (8)
гдеFгр,max— высшая модулирующая частотагруппового тракта, Fн — унифицированная несущая частота,Fраб— рабочая частота передатчика. Толькопри условии Fгр,maxFн может быть получена глубокая и линейная ФМ, а приусловии FнFрабобеспечивается требуемая стабильность частоты.
На практике применяютсятри значения Fн: 35,70, 140 МГц. Частота 35 МГц применяетсяпри рабочих частотах FрабFн= 70 МГц — при Fраб>> 1 ГГц и числе каналов до1800; в новых системах с числом каналов больше 1800 и при высоких несущихчастотах (Fраб> 5 ГГц) более целесообразна Fн = 140 МГц.Так как Fраб= 1.7ГГц и число каналов 360, то выбрана частотаFн = 70 МГц.
В качестве расчётной,выбрана схема кварцевого автогенератора с резонатором между коллектором и базой[22].
Принципиальная схемакварцевого автогенератора представлена на рисунке 3.
В качестве активногоэлемента для данной схемы выбран транзистор КТ324А, параметры которогопредставлены в таблице 1.
Таблица 1–Основные параметры транзистора КТ324АСтруктура
Макс.напр.
к-б, В Макс. напр. к-э, В Макс. доп. ток к-ра, А
h21э ft, МГц Расс. мощность n-p-n 10 10 0.02 20 800 0,015
Методика расчёта взята из[6], подробный расчёт представлен в приложении Б.
На основании расчётаизложенном в приложении Б, было проведено моделирование.
Модель представлена нарисунке 4.
Для подтвержденияправильности расчётов на рисунке 5 представлена осциллограмма сигнала на выходегенератора.
Как видно по рисунку 5, свыхода генератора идёт гармоническое колебание с периодом 14 нс, чтосоответствует частоте 70МГц.
4 Электрический расчётмодулятора
Модулятор 8ОФМ выполненна микросхемах стандартной ТТЛ логики, по всем цифровым входам напряжениелогической единицы равно 5В, максимальный нагрузочный ток 10мА.
Функциональная схема модуляторапоказана на рисунке 6.
Цифровые сигналы свыходов АЦП абонентов поступают на информационные входы формирователя три-бита,регистр сдвига задерживает сигнал «а» на три такта, а сигнал «б» на шесть. Всумматоре реализуется относительность манипуляции, то есть с выхода сумматорапоступает сигнал, сформированный относительно предыдущих состояний на еговходе. Далее коммутатор, в зависимости от цифрового сигнала на управляющемвходе, подключает на выход аналоговый сигнал с определённым значением фазы,после чего сигнал фильтруется полосовым фильтром(ПФ) и передаётся на входПУ(рисунок 1). Для реализации формирователя три-бита использованы отечественныемультиплексоры К155КП1. В качестве аналогового коммутатора взята микросхемаКР590КН1, а для реализации счётчиков использованы микросхемы LS174, производства компании TexasInstruments. Характеристики выбранных микросхемпредставлены в приложении В.
Схема данного модуляторабыла промоделирована в программе ElectronicWorkbench, модель изображена на рисунке 7, осциллограмма на рисунке 8.
Заключение
В ходе выполнениякурсового проекта был разработан передатчик с восьмиканальной относительнойфазовой манипуляцией на промежуточной частоте 70МГц. Рабочая частотапередатчика составляет 1700МГц. Были приобретены навыки расчёта высокочастотныхцепей. Также был проведён конструктивный расчёт микрополосковой линиисогласующей передатчик с фидером, имеющим сопротивление 50 Ом. Были рассчитаныэлектрические параметры генератора промежуточной частоты и модулятора 8ОФМ.Передатчик соответствует требованиям технического задания и обеспечиваетнестабильность частоты 10-6.
Все расчёты былиподтверждены моделированием в программе ElectronicWorkbench.
/>
Списокиспользованной литературы
1.Проектирование радиопередатчиков:учеб. пособие/ В.В. Шахгильдян, М.С. Шумилин -М.: Радио и связь, 2000 — 656 с.
2.Гребенников А.В., Никифоров В.В.,Рыжиков А.Б. Мощные транзисторные усилительные модули для УКВ ЧМ и ТВ вещания// Электросвязь. — 1996. — № 3. — С. 28-31.
3. Принципы проектированиятранзисторных радиопередающих устройств: Учебн. пособие / М.И. Бочаров;Политехи, ин-т. Воронеж, 1993.-109с.
4.Проектирование радиопередатчиков:Учебн. пособие для вузов/ В.В. Шахгильдян, М.С. Шумилин, В.Б. Козырев и др.;Под ред. В.В. Шахгильдяна.- 4-е изд.; перераб. и доп. М.: Радио и связь,2000.-656с.: ил.
5.Проектирование радиопередающихустройств: Учебн. пособие для вузов/ В.В. Шахгильдян, В.А. Власов, В.Б. Козыреви др.; Под ред. В.В. Шахгильдяна.- 3-е изд.; перераб. и доп. М.: Радио и связь,1993.-512с.
6.Проектирование радиопередающихустройств СВЧ: Учебн. пособие для вузов/ Г.М. Уткин, М.В. Благовещенский, В.П.Жуховицкая и др.; Под ред. Г.М. Уткина.- М.: Сов. Радио, 1979.-320 е., ил.
7.Проектирование радиопередающихустройств с применением ЭВМ: Учеб. Пособие для вузов / О.В. Алексеев, А.А.Головков, А.Я. Дмитриев и др.; Под ред.О.В.Алексеева.-М.: Радио и связь,1987.-392 с.
8.Вамберский М.В. и др. — Передающиеустройства СВЧ: Учеб. Пособие для радиотехн. спец. вузов / Вамберский М.В.,Казанцев В.И., Шелухин С.А./под ред. Вамберского М.В. — М.: Высш. шк., 1984. — 448с., ил.
9.A.M. Заездный,Ю.Б. Окунев, JI.M. Рахович- Фазоразностная модуляция и её применение для передачи дискретной информации.- М.: Связь, 1967.-303 с.
10.Частотно-модулированные синтезаторычастот для систем подвижной радиосвязи: Учеб.пособие / П.А. Попов, И.П. Усачёв:Воронеж, политехи, ин-т. Воронеж, 1991, 89 с.
11.Альтшуллер Г.Б., Елфимов Н.Н.,Шакулин В.Г. — Кварцевые резонаторы: Справ, пособие. М.: Радио и связь, 1984 — 232 е., ил.
12.Полупроводниковые приборы.Сверхвысокочастотные диоды. Справочник/ под.ред. А.Б. Наливайко — Томск, МГП«РАСКО», 1992 — 223 е.: ил.
13.Полупроводниковые приборы.Транзисторы средней и большой мощности: Справочник / А.А. Зайцев, А.И. Миркин,В.В. Мокряков и др.; Под ред. А.В. Голомёдова.- М.: Радио и связь, 1989.- 640с.
14.Дж.Варне — Электронноеконструирование. Методы борьбы с помехами: Пер. с англ. — М.: Мир, 1990 — 238е., ил.
15.Малевич И.Ю. Проектированиевысоколинейных усилительных трактов с параллельной структурой // Радиотехника.- 1997. — № 3. — С. 20 — 25.
16.Прищепов Г.Ф. Каскады с «удлиненным»транзистором // Сб. «Полупроводниковая электроника в технике связи» / Под ред.И.Ф. Николаевского. — М.: Радио и связь, 1990. — Вып. 28. — С. 50-54.
17.Рэд Э. Справочное пособие повысокочастотнойсхемотехнике: Схемы, блоки, 50-омная техника: Пер. с нем. — М.:Мир, 1990. — 256 с.
18.Якушевич Г.Н., Мозгалев И.А.Широкополосный каскад со сложением выходных токов транзисторов // Сб.«Радиоэлектронные устройства СВЧ» / Под ред. А.А. Кузьмина. — Томск: изд-воТом.ун-та, 1992. — С. 118-127.
19.Извольский А.А., Козырев В.Б.Высокоэффективный ВЧ тракт транзисторных передатчиков // Сб. «Полупроводниковаяэлектроника в технике связи» / Под ред. И.Ф. Николаевского. — М.: Радио исвязь, 1990. — Вып. 28. — С. 112 — 118.
20.Проектирование радиопередающихустройств с применением ЭВМ / Под ред. О.В. Алексеева. — М.: Радио и связь,1987. — 392 с.
21.Проектирование радиопередатчиков /В.В. Шахгильдян, М.С. Шумилин, В.Б. Козырев и др.; Под ред. В.В. Шахгильдяна. — М.: Радио и связь, 2000. — 656 с.
22.ШумилинМ.С., Козырев В.Б., ВласовВ.А. Проектирование транзисторных каскадов передатчиков. — М.: Радио и связь,1987. — 320 с.
23.Расчёт кварцевых генераторов /Грановская Р.А., Постников Е.М. и др. — М.: Типография ИТАР-ТАСС, 1997.