Исходные параметры задания
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по дисциплине
«ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ СВЯЗИ»
На тему: «Проектирование системы технологической радиосвязи аналогового типа с частотной модуляцией»
Работу выполнил:
Студент гр. ЗРП-610
И. Р. Маннапов
Проверил: доцент к.т.н.
Е. Ю. Копытов
Омск 2015г.
Целью данного проекта является проектирование радиоканала, которое включает в себя:
а) выбор варианта проекта;
б) выбор структурной схемы;
в) выбор и обоснование функциональной схемы системы радиосвязи;
г) предварительный расчёт основных параметров передающей части;
д) предварительный расчёт основных параметров приемной части;
е) расчёт кривой наземного затухания напряженности поля радиоволны между двумя радиостанциями.
Введение
Приемопередающее устройство – это источник и приемник радиочастотных колебаний в системах радиосвязи, телевидения, радиолокации и др. Назначение приемопередатчика – сформировать и принять радиосигнал в соответствии с требованиями, установленными при разработке системы.
Радиосигналом называют колебание радиочастоты, один или несколько параметров, которого изменяются (модулируются) в соответствии с передаваемым сообщением (информацией).
Частотная модуляция (ЧМ) применяется в высококачественном радиовещании, в радиорелейных линиях с большим числом каналов, в радиолокационных системах непрерывного излучения. При любых видах модуляции энергия сигнала локализована в узкой полосе частот радиоспектра. Это означает, что радиосигнал представляет собой колебание, близкое к гармоническому. Поэтому основным сигналом, для которого рассчитываются режимы каскадов приемопередатчика, является гармонический.
Содержание
1. Выбор варианта проекта
1.1 Задача курсового проектирования
1.2 Исходные параметры задания
2. Выбор структурной схемы
3. Выбор и обоснование функциональной схемы системы радиосвязи
4. Предварительный расчёт основных параметров передающей части
5. Предварительный расчёт основных параметров приемной части
6. Расчёт кривой наземного затухания напряженности поля радиоволны между двумя радиостанциями.
Заключение
Список использованной литературы
Выбор варианта проекта
Задача курсового проектирования
Системы подвижной радиосвязи делятся на мобильные, стационарные, индивидуальные по специально выделенным каналам и др. Подвижная радиосвязь осуществляется в нескольких диапазонах радиоволн, например, гектометровые – СВ (f0 = 2,13 МГц), метровые – УКВ1 (f0 = 151,725 – 156 МГц) и дециметровые – УКВ2 (f1 = 457,4 – 458,45 МГц и f2 = 467,4 – 468,45 МГц). Наибольшее применение в подвижной радиосвязи получил диапазон метровых радиоволн, поэтому радиостанции этого диапазона широко используются в настоящее время. Задачей учебного курсового проектирования является разработка канала радиосвязи метрового диапазона, включающая в себя передающую и приемную части.
К важнейшим техническим параметрам канала радиосвязи относятся:
а) рабочая частота радиостанции fраб;
б) выходная мощность передатчика РВЫХ;
в) высоты установки антенн абонентов Н1 и Н2;
г) чувствительность приемника Uвх min по системе СИНАД;
д) номинальная fНОМ и максимальная fМАКС девиации частоты передатчика;
е) избирательность приемника по соседним Seс.к и зеркальным Seз.к каналам;
ж) стабильность частоты возбудителя и гетеродина f.
Исходные параметры задания
Вариант 5.
1) Значения рабочей частоты возбудителя fраб 154,625 МГц;
2) Выходная мощность передатчика на нагрузке 50 Ом Рвых 12,9 Вт;
3) Высоты подвеса антенн H1 = 8 м. и H2 = 14 м.;
4) Чувствительность приемного устройства по системе СИНАД при отношении «сигнал/шум», равном 12 дБ, и входном сопротивлении приемника 50 Ом Uвх min 0,85 мкВ.
5) Параметры девиации частоты модулятора: fном = 3,5 кГц;
fmax = 4 кГц.
6) Избирательность приемника, по соседнему каналу Seз.к 61 дБи по зеркальному – Seс.к 68 дБ.
7) Стабильность частоты возбудителя и гетеродинов f = 10–5.
8) Коэффициент нелинейных искажений сигналов в радиоканале Кг 4,6%.
9) Длина и погонное затухание коаксиального кабеля, соединяющего приёмопередатчик и антенну lк = 17 м., к = 0,09 дБ/м.
10) Материальная база разработки: транзисторы, микросхемы.
11) Номиналы напряжения питания: 25, 15, 12, 9, 5 В.
Выбор структурной схемы
Проектирование радиопередающей части канала начинается с разработки функциональной схемы. В настоящее время широко используются системы аналоговой частотно-модулированной (ЧМ) радиосвязи, которые выполнены на современной микроэлементной базе с применением микропроцессорной технологии обслуживания с программным обеспечением, позволяющим конфигурировать режимы радиостанции применительно к конкретным условиям эксплуатации на используемой сетке частот при работе в симплексном или дуплексном режимах.
Структурная схема такой системы приведена на рисунке 2.1. В её состав входят следующие устройства:
1) блок коммутации К симплексного режима работы;
2) передающая часть, включающая в себя усилитель мощности (УМ), синтезатор-возбудитель, опорный генератор и модулятор, обеспечивающий оптимальный режим частотной модуляции в канале;
3) приемная часть системы радиосвязи, включающая в себя тракт усиления радиочастоты (УРЧ), синтезатор первого гетеродина и сам гетеродин, первый смеситель, усилитель первой промежуточной частоты и завершающую часть приемника, выполненную на одной микросхеме: второй смеситель, второй гетеродин, усилитель второй промежуточной частоты, частотный детектор и предварительный усилитель звуковой частоты. После микросхемы следует тракт дополнительного усиления сигнала, который подается затем в блок автоматики.
Для разрабатываемой функциональной схемы передающей части из структурной схемы выбираются устройства: коммутатор К, усилитель мощности, который может состоять из двух каскадов предварительного усиления (ПОК1 и ПОК2) и оконечного усилителя мощности (ОК). Схема синтезатора-возбудителя предназначена для формирования высокочастотного ЧМ-колебания с амплитудой не менее 0,5 В, которое используется для возбуждения предварительного усилителя мощности ПОК1.
Диапазон частоты возбудителя – от 151,725 до 156,000 МГц, шаг сетки частоты – 25 кГц. В состав возбудителя входят устройства: генератор, управляемый напряжением (ГУН1) на транзисторе ГТ311Е и варикапах КВ121А; буферный усилитель на двух транзисторах того же типа, включенных по каскодной схеме «ОЭ – ОБ»; большая интегральная схема синтезатора частоты типа КФ1015ПЛ4Б или КР1015ХК2. Опорный сигнал частотой 10 МГц для передающего и приемного синтезаторов вырабатывает высокостабильный генератор «Топаз-03», выпускаемый в виде малогабаритного конструктивного устройства, питаемого стабилизированным напряжением + 9 В. В проекте его можно использовать как функциональный блок без представления принципиальной схемы.
Рисунок 2.1 – Структурная схема системы радиосвязи
На вход синтезатора частоты поступает сигнал с ГУН1 через развязывающее устройство в виде буферного усилителя. Входом является включенный в синтезатор делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД), с выхода которого сигнал поступает на один из входов частотно-фазового детектора (ЧФД). На второй вход детектора подается высокочастотный сигнал опорного генератора (ОГ), прошедший через делитель опорной частоты (ДОЧ). ЧФД формирует сигнал ошибки, пропорциональный разности фаз входных сигналов. Это напряжение ошибки по цепи фазовой автоподстройки (ФАПЧ) через фильтр низких частот (ФНЧ) подается на управляющий вход ГУН1, что приводит к изменению его частоты до требуемого значения, определяемого коэффициентом ДПКД. Синтезатор имеет выход сигнала детектора захвата частоты петлей ФАПЧ.
На ГУН1 одновременно осуществляются частотная модуляция и автоподстройка его частоты. Чтобы не происходило снижения девиации частоты за счет схемы ФАПЧ, постоянная времени ФНЧ на выходе синтезатора выбрана много больше, чем период низкой частоты (Fmin = 300 Гц) спектра низкочастотного сигнала. При этом ФАПЧ работает на частотах F << 300 Гц и не реагирует на сравнительно быстрые изменения частоты при ее девиации, что делает возможным одновременное сосуществование частотной модуляции и автоподстройки частоты генератора.
Информация о частоте конкретного канала поступает в регистр синтезатора по цепям «Запись», «Данные» и «Синхронизация». Сигнал «Запись» содержит байт информации о включении или выключении передатчика, сигнал «Данные» – еще три байта информации для передачи трехзначного номера канала, общее число которых в диапазоне частоты от 151,725 до 156,000 МГц N = 172, таким образом, для хранения информации «Запись» и «Данные» должно использоваться 32-разрядное (4-байтовое) управляющее слово, формируемое в блоке автоматики. Запись номера канала, по которому в ДПКД синтезатора устанавливается необходимый коэффициент деления, производится двоичным последовательным кодом, продвигаемым через регистр синтезатора с каждым синхроимпульсом, поступающим по цепи «Синхронизация». При этом внутри синтезатора последовательный код преобразуется в параллельный, что обеспечивает нормальное функционирование режима ФАПЧ возбудителя. Все сигналы поступают в синтезатор через буферную микросхему 564ПУ4Б D1. Сигнал синтезатора подается также на схему контроля для формирования сигнала исправности его работы.
Особое место в схеме передающего тракта занимает модулятор, который выполняет следующие функции:
- обеспечивает номинальную девиацию частоты fном;
- ограничивает максимальное значение девиации частоты fmax;
- осуществляет необходимую предкоррекцию амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) тракта по закону +6 дБ/октава.
Для выполнения указанных функций схема модулятора содержит в себе следующие устройства:
- усилитель звуковой частоты, охваченный петлей автоматической регулировки усиления (АРУ), которая производит сжатие динамического диапазона входных сигналов;
- корректор АЧХ +6 дБ/октава для модулирующего сигнала, поступающего с блока автоматики;
- амплитудный ограничитель, устраняющий перемодуляцию передатчика;
- фильтр низких частот, служащий для ограничения полосы пропускания модулирующих сигналов в пределах от 0,3 до 3,4 кГц;
- формирователь сигнала исправности модулятора.
Расчёт режима модулятора в данном проекте не выполняется, в принципиальную и функциональную схемы вставляется лишь его функциональный блок, и перечисляются все приведенные выше функции, которые реализует модулятор. Параметры стандартного модулятора:
- чувствительность модуляционного входа модулятора при Rвх= 600 Ом (должна быть не менее 300 мВ);
- отклонение амплитудно-частотной модуляционной характеристики передатчика (АЧМХ) от характеристики с предкоррекцией +6 дБ/октава (должно быть в пределах 
дБ);
- уровень паразитной амплитудной модуляции (не более 3 %).
Примерный вид функциональной схемы передающей части системы радиосвязи приведен на рисунке 2.2. В соответствии с этой схемой произведем расчет предварительных параметров передающей части.
Рисунок 2.2 – Функциональная схема передающей части
3. Выбор и обоснование функциональной схемы системы радиосвязи
Проектирование радиоприемной части системы радиосвязи начинается с разработки функциональной схемы. Эта схема составляется на основе структурной схемы (см. рисунок 2.1). Для функциональной схемы приемника кроме коммутатора К выбираются два усилителя радиочастоты – УРЧ1 и УРЧ2, первый смеситель VT1, на второй вход которого через буферный усилитель БУ2 подается сигнал с генератора, управляемого напряжением ГУН2, который выполняет роль первого гетеродина приемника. Диапазон перестраиваемой частоты первого гетеродина – от 173,125 до 177,400 МГц (N = 172 канала) – обеспечивается собственным синтезатором приемной части канала, аналогичным синтезатору возбудителя.
Схема генератора, управляемого напряжением ГУН2, аналогична схеме ГУН1, но имеет более простую колебательную систему, так как в ней не должна производиться частотная модуляция. Для увеличения мощности сигнала первого гетеродина и его надежной развязки от смесителя и синтезатора частоты должен быть использован буферный усилитель БУ2, собранный по каскодной схеме «ОЭ – ОБ».
В состав большой интегральной схемы (БИС) синтезатора частоты приемника входят те же элементы, что и в функциональную схему, выполнен он на микросхеме D2 типа КФ1015ПЛ4Б либо КР1015ХК2. В качестве опорной частоты f0 = 10 МГц используется частота опорного генератора «Топаз-03», имеющего относительную нестабильность f 10-5. Напряжение рассогласования, сформированное частотно-фазовым детектором синтезатора, через ФНЧ поступает на варикапы колебательного контура ГУН2 и управляет его частотой. Запись коэффициентов деления ДПКД и опорного делителя в регистр синтезатора осуществляется последовательным двоичным кодом по цепям «Запись 1», «Данные», «Синхронизация». В приемном синтезаторе предусмотрена схема контроля (вывод 4), формирующая сигнал исправности синтезатора при наличии захвата в кольце ФАПЧ.
Преобразованный сигнал со смесителя СМ1 через фильтр сосредоточенной избирательности ФСИ1 поступает на усилитель первой промежуточной частоты fПЧ1 = 21,4 МГц, выполненный по стандартной схеме. С её нагрузки – двухконтурного фильтра – сигнал поступает на вход микросхемы D3 типа МС3371Р. Микросхема D3 осуществляет второе преобразование частоты сигнала во вторую промежуточную частоту fПЧ2 = 465 кГц, ее усиление, частотное детектирование и предварительное усиление звуковой частоты речевого сигнала.
К выводу 1 микросхемы D подключен кварцевый резонатор Z1, который служит для генерации вторым гетеродином частоты fг2 = fПЧ1 + 465 кГц. Сигнал второй промежуточной частоты выделяется кварцевым ФСИ2, усиливается и детектируется. Сигнал, усиленный микросхемой D3, поступает на активный ФНЧ и конечный усилитель в блоке автоматики и управления, выполняющий функцию частотного корректора, обеспечивающего спад («завал») частотной характеристики сигнала - 6 дБ/октава. Далее сигнал звуковой частоты используется в блоке автоматики.
Примерный вид функциональной схемы приемной части приведен на рисунке 3.1. По этой схеме рекомендуется произвести расчет основных параметров приемника.
Рисунок 3.1 – Функциональная схема приемной части
4. Расчет основных параметров функциональной схемы передающей части
Требуется рассчитать передающую часть канала со следующими
исходными параметрами:
– рабочая частота канала f раб= 154,625 МГц;
– стабильность частоты возбудителя и гетеродинов f = 10–5;
– выходная мощность на нагрузке 50 Ом РН = 12,9 Вт;
– девиация частоты: номинальная девиация f = 3,5 кГц, максимальная девиация f = 4 кГц;
– полоса частот модулирующего сигнала F = 300 – 3400 Гц.
Расчет параметров проводим в следующем порядке:
1) в таблице параметров транзистора КТ909Б приведены следующие данные для типового режима его работы: РТИП = 24 Вт, К = 2,4, fТИП = 500 МГц, по которым может быть рассчитан коэффициент усиления мощности КР оконечного каскада на рабочей частот
(4.1)
мощность возбуждения на входе оконечного каскада
(4.2)
где hКС – коэффициент полезного действия контура предоконечного каскада, его значение выбираем с запасом, равным hКС = 0,5, 
.
2) предоконечный каскад может быть выполнен на менее мощном транзисторе КТ907A с параметрами типового режима: fТИП = 400 МГц, КР ТИП. = 3, по ним может быть рассчитан коэффициент КР на рабочей частоте:
(4.3)
3) найденное значение КР позволяет определить мощность возбуждения на входе предоконечного каскада ПОК
(4.4)
4) предыдущий результат показал, что для возбуждения предоконечного каскада мощности буферного усилителя, нагружающего ГУН1, будет недостаточно, поэтому требуется ещё один предоконечный каскад ПОК2 на транзисторе КТ606 с мощностью возбуждения
(4.5)
теперь мощности ГУН1 достаточно, чтобы возбудить дополнительный каскад;
5) требуется узнать оптимальную амплитуду модулирующего напряжения звуковой частоты
(4.6)
где – коэффициент нелинейности характеристики варикапа (обычно в большинстве случаев рекомендуется принимать = 0,5);
UВ0 – напряжение постоянного смещения варикапа (обычно UВ0 = 4 – 10 В), для данного проекта берем варикап КВ121А с параметрами UВ0 = 4 В;
Режимы автогенератора ГУН с буферным усилителем не нуждаются в предварительных расчётах.
5. Предварительный расчёт основных параметров приемной части канала
Порядок расчёта параметров приемного тракта следующий:
1) полоса частот генерации ЧМ канала рассчитывается по формуле
(5.1)
где М f = f МАКС / FМАКС – индекс частотной модуляции;
fМАКС = 4 кГц – максимальная девиация частоты ЧМ сигнала;
FМАКС = 3,4 кГц – максимальная частота телефонного спектра;
полоса частотной нестабильности канала
, (5.2)
где fС =fC f = 1,546 кГц – абсолютная нестабильность частоты возбудителя;
fГ1 = fГ1 f = 1,760 кГц – абсолютная нестабильность частоты гетеродина;
fПЧ = (fПЧ f ПЧ) – абсолютная нестабильность тракта промежуточной частоты;
fПЧ1 = 0,214 кГц; fПЧ2 = 465 кГц; fГ2 = fПЧ1+ fПЧ2 = 21,865 МГц.
2) ширина полосы пропускания приёмного тракта
П ОБЩ = П С + П НЕСТ (5.3) П ОБЩ = 22,176 + 2,362 = 24,538 кГц,
не должна превышать 25 кГц;
3) первая промежуточная частота определяется заданной избирательностью по зеркальной помехе Se‘ЗП, числом колебательных контуров в тракте nПЧ = 3 и их эквивалентным затуханием dЭ (dЭ = 0,06):
, (5.4)
При n = 3 23,989280 МГц.
Примем в качестве первой промежуточной частоты стандартную, принятую в новых радиостанциях fПР1 = 21,4 МГц;
4) проверка показывает, что полученная промежуточная частота не сможет обеспечить требуемую избирательность по соседнему каналу (SeCK = 60 дБ), следовательно, неизбежно двойное преобразование частоты. Вторая промежуточная частота может быть вычислена по формуле
,(5.5)
где DfCK = 25 кГц,
,
dПЧ 0,02 (При использовании ФСИ), nПЧ = 9;
в качестве второй промежуточной частоты выбираем стандартную для радиостанций fПЧ2 = 465 кГц.
5) оценим степень ослабления второй зеркальной помехи в тракте преселектора (УРЧ):
,(5.6)
где dЭ.ПЧ » 0,06;
fПЧ2 = 465 кГц;
nПЧ = 3.
6) малое ослабление зеркальной помехи в преселекторе требует использования в трактах УПЧ1 и УПЧ2 фильтров сосредоточенной избирательности ФСИ кварцевого или пьезокерамического типа; выбираем в качестве фильтра для УПЧ1 фильтр ФП2П4-272-21,4М-18к, выполненный по техническим условиям АЦО.206.091ТУ; для работы с микросхемой D3 (микросхема МС3371Р) в качестве фильтра УПЧ2 используем ФСИ типа ФП1П1-11АДКШ.433.550.001ТУ;
7) произведём предварительное распределение усиления по каскадам приёмника, так двухкаскадный УРЧ может иметь устойчивый коэффициент усиления не менее КУРЧ = 10, тогда при чувствительности приёмника UВХ. МИН = 0,5 мкВ на входе первого преобразователя появится сигнал с напряжением:
UВХ. ПР1 = UВХ. МИН × КУРЧ; (5.7)
UВХ. ПР1 = 0,85 ×10-6× 10 = 8,5 мкВ
8) примем общий коэффициент усиления в тракте УПЧ1 КУПЧ1 = 31, тогда на вход второго преобразователя будет подаваться напряжение:
UВХ. ПР2 = UВХ. ПР1 × КУПЧ1; (5.8)
UВХ. ПР2 = 8,5× 10-6× 31 = 263,5 мкВ
9) оценим общий коэффициент усиления приёмного тракта если на предельной чувствительности микросхема МС3371Р может выдавать выходное напряжение низкой частоты не менее 0,12 В:
,(5.9)
10) коэффициент усиления, приходящийся на микросхему МС3371Р должен быть не менее:
,(5.10)
.
6. Расчёт наземного затухания напряженности поля радиоволны
Требуется рассчитать значения напряженности поля радиосигнала Е, напряжение сигнала на входе кабеля, соединяющего антенну с приёмником радиостанции (U´вх), и значения напряжений сигнала на входе самого приёмника(Uвх), если длина соединительного кабеля lK = 17 м, а погонное затухание кабеля аК = 0,09 дБ/м. Расчёт можно проводить в следующем порядке:
1) напряжённость поля в месте расположения приемной антенны Е может быть рассчитана по квадратичной формуле Б. А. Введенского:
,(6.1)
которая справедлива для ровной сферической земной поверхности, когда расстояния между абонентами свыше r0 > 1 км. В формуле (6.1) используются следующие функции, параметры и обозначения:
P – мощность, излучаемая антенной;
Gа = 1,62 – коэффициент усиления простейшей стационарной антенны – полуволнового вибратора;
приведённая с учётом сферичности Земли высота первой антенны;
приведённая с учётом сферичности земли высота второй антенны;
R´З 8500 км – приведённый радиус земли с учётом нормальной тропосферной рефракции радиоволн в приземном слое атмосферы.
2) напряжение на входе кабеля, соединяющего антенну и приёмник радиостанции, может быть рассчитано по формуле:
, (6.2)
где 
– действующая высота четвертьволнового вибратора;
e – ЭДС, наведенная в антенне полем радиоволны.
3) напряжение на входе приёмника радиостанции UВХ при длине кабеля lK = 17 м рассчитывается по формуле
, (6.3)
где 
– коэффициент затухания напряжения в кабеле lK.
4) Результаты расчёта приведены в таблице 1.
Таблица 6.1 – Расчётные данные по затуханию радиоволны в точке приема
| r0, км | Е, мкВ/м | U´ВХ, мкВ | UВХ, мкВ |
| 25,68705598 | 7,93187764 | 6,650832 | |
| 5,137411197 | 1,58637553 | 1,330166 | |
| 3,669579426 | 1,13312538 | 0,950119 | |
| 7,5 | 3,424940798 | 1,05758369 | 0,886778 |
| 3,210881998 | 0,9914847 | 0,831354 |
Расстояние предельной радиосвязи составляет 7,5 км.
Заключение
В данном курсовом проекте был произведен расчёт и проектирование принципиальных электрических схем, входящих в передающую часть канала:
– генератор, управляемый напряжением, ГУН1 в качестве задающего автогенератора;
– буферный каскадный усилитель напряжения ГУН1;
– оконечный усилитель мощности;
– предварительные усилители мощности;
При выполнении курсового проекта были использованы текстовый редактор Microsoft Word ХР, графический редактор Visio 2003, математический пакет Mathcad 2001 Professional.
Список использованной литературы
1. Рогилев В.М., Кузьменко Г.А., Филенков В.В. Проектирование каналов радиосвязи: Методические указания по курсовому проектированию каналов радиосвязи. Часть 1./ Омский государственный университет путей сообщения. – Омск, 2004. – 19 с.
2. Рогилев В.М., Кузьменко Г.А., Лутченко С.С.. Проектирование каналов радиосвязи: Методические указания по курсовому проектированию каналов радиосвязи. Часть 2./ Омский государственный университет путей сообщения. – Омск, 2004. – 41 с.
3. Рогилев В.М. Проектирование радиопередающих устройств: Методические указания по курсовому проектированию радиопередающих устройств. Часть 1./ Омский институт инженеров железнодорожного транспорта. – Омск, 1989. – 27 с.
4. Рогилев В.М. Проектирование радиопередающих устройств: Методические указания по курсовому проектированию радиопередающих устройств. Часть 2./ Омский институт инженеров железнодорожного транспорта. – Омск, 1990. – 39 с.
Размещено на Allbest.ru