Проектирование каналов радиосвязи

Курсовая работа Проектирование каналов радиосвязи Выполнил:

Кузнецов Р.В.

Реферат радиосвязь канал передающий приемный Записка содержит страницу машинописного текста, таблицу, рисунка, использовано библиографического источника.

Функциональная схема передающей части канала, функциональная схема радиоприемной части канала, расчет параметров приемной, передающей частей канала, расчет наземного затухания напряженности поля.

Цель работы — в соответствии с номером варианта разработать канал радиосвязи метрового диапазона, включающего в себя передающую и приемную части. Сделать предварительный расчет основных параметров передающей и приемной частей каналов.

Введение

Техника передачи информации с каждым годом приобретает все больше значения, являясь одним из основных компонентов современных систем управления, в том числе и автоматизированного. На железнодорожном транспорте с его распределенной на большие расстояния инфраструктурой эта техника используется особенно эффективно, способствуя повышению качества управления процессами перевозок на всех уровнях. Она находит применение в системах магистральной, дорожной, отделенческой и станционной технологической связи, в системах связи с подвижными объектами железнодорожного транспорта (поездная, станционная, ремонтно-оперативная радиосвязь, системы громкоговорящего оповещения и индуктивной связи); в системах многоканальной связи; промышленного телевидения; электрической централизации стрелок и сигналов, автоматической локомотивной сигнализации, автоведения поездов, телеконтроля и телеуправления объектами тягового электроснабжения; диагностирования состояния различных технических средств железнодорожного транспорта; передачи дискретных сообщений, в том числе и для организации обмена информацией между вычислительными центрами, для организации локальных вычислительных сетей и т. д.

Техника передачи информации на железнодорожном транспорте использует разнообразные направляющие среды. Наряду с традиционными проводными, радио и радиопроводными линиями связи начинают создавать наземные волоконно-оптические и спутниковые радиолинии связи. В качестве рабочих используются частоты всех диапазонов: от крайне низких (3−30Гц) до сверхвысоких (3−30ГГц) частот. В качестве элементной базы широко применяются электронные и микроэлектронные приборы.

Однако при всем многообразии применяемых на железнодорожном транспорте каналообразующих, передающих и приемных устройств их схемотехнические решения могут быть расчленены на элементы достаточно ограниченного набора — генераторы, усилители, модемы, кодеки, преобразователи частоты, преобразователи сигналов и подобные устройства.

Особое внимание, в этом курсовом проекте, уделим проектированию каналов технологической железнодорожной радиосвязи аналогового типа с частотной модуляцией.

1. Выбор функциональной схемы радиопередающей части канала Проектирование радиопередающей части канала начинается с разработки функциональной схемы. В настоящее время на железнодорожном транспорте внедрена система аналоговой ЧМ радиосвязи на основе приемопередатчика диапазона метровых волн УПП — 2МВ стационарной радиостанции «Транспорт РС — 46М». Система выполнена 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 т.н. симплексе (работает передатчик — выключен собственный приемник и — наоборот).

На рисунке 1 приведена структурная схема такого канала, в состав которой входят:

— блок коммутации К симплексного режима работы ;

— передающая часть канала, включающая усилитель мощности УМ, синтезатор-возбудитель, опорный генератор и модулятор, обеспечивающий оптимальный режим частотной модуляции в канале;

— приемная часть канала, включающая тракт усиления радиочастоты УРЧ, синтезатор первого гетеродина и сам гетеродин, первый смеситель, усилитель первой промежуточной частоты, завершающую часть приёмника, выполненную на одной микросхеме МС3371Р. Микросхема включает в себя: 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. Приведённая схема значительно упрощена по сравнению с оригиналом, но вполне приемлема для задачи учебного курсового проектирования. разрабатываемой функциональной схемы передающей части канала из структурной схемы выбираются: 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 частот возбудителя 151,725 — 156,000 МГц, шаг сетки частот 25 кГц. В состав возбудителя входят: ГУН1 на транзисторе ГТ311Е и варикапах КВ121А, буферный усилитель на двух транзисторах того же типа, включенных по каскадной схеме ОЭ — ОБ, большая интегральная схема синтезатора частоты типа КФ1015ПЛ4Б или КР1015ХК2. Опорный сигнал частотой 10 МГц для передающего и приёмного синтезаторов вырабатывает высокостабильный генератор «Топаз — 03», выпускаемый на Российских предприятиях по техническим условиям ШИ3.423.009ТУ в виде малогабаритного конструктивного устройства, питаемого стабилизированным напряжением +9 В. В проекте его можно использовать, как функциональный блок без представления принципиальной схемы.

На вход синтезатора частоты поступает сигнал с ГУН1 через развязывающее устройство в виде буферного усилителя. Входом является включённый 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. ЧДФ формирует сигнал ошибки, пропорциональный разности фаз входных сигналов. Это напряжение ошибки по цепи фазовой автоподстройки ФАПЧ через фильтр низких частот ФНЧ подаётся на управляющий вход ГУН1, что приводит к изменению его частоты до требуемого, определяемого коэффициентом ДПКД значения. Синтезатор имеет выход сигнала детектора захвата частоты петлёй ФАПЧ.

На ГУН1 одновременно осуществляются частотная модуляция и автоподстройка его частоты. Чтобы не происходило снижения девиации частоты за счёт схемы ФАПЧ, постоянная времени фильтра низких частот ФНЧ на выходе синтезатора выбрана много больше, чем период низкой частоты (FМИН = 300 Гц) спектра НЧ сигнала. При этом ФАПЧ работает на частотах ДF<< 300 Гц и не реагирует на сравнительно быстрые изменения частоты при её девиации, что делает возможным одновременное сосуществование частотной модуляции и автоподстройки частоты генератора.

Для правильного понимания работы синтезатора каждому студенту следует основательно поработать со справочной литературой [4 ], найти и привести в записке подробную структурную схему микросхемы КФ1015ПЛ4Б или другой модификации КР1015ХК2, а также их параметры и цоколёвки.

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» содержит ещё три байта информации для передачи трёхзначного номера канала, общее число которых составляет в диапазоне частот 151,725 — 156,000 МГц N = 172. Т.о. для хранения информации «Запись» и «Данные» должно использоваться 32 — разрядное (4 — байтовое) управляющее слово, формируемое в блоке автоматики. Запись номера канала, по которому устанавливается в ДПКД синтезатора 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 подаётся также на схему контроля для формирования сигнала исправности его работы.

Особое место в схеме передающего тракта занимает модулятор, который выполняет следующие функции:

а) обеспечивает номинальную девиацию частоты ДfНОМ;

б) ограничивает максимальное значение девиации частоты ДfМАКС;

в) осуществляет необходимую предкоррекцию амплитудно-частотной характеристики тракта АЧХ по закону +6 дБ/октава.

Для выполнения указанных функций схема модулятора содержит:

— 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 вышеприведенные функции, которые реализует модулятор. В записке обязательно следует привести параметры стандартного модулятора:

а) чувствительность модуляционного входа модулятора при RВХ= 600 Ом должна быть не менее 300 мВ;

б) отклонение амплитудно-частотной модуляционной характеристики передатчика АЧМХ от характеристики с предкоррекцией + 6 дБ/октава должно быть в пределах ± 12,5 дБ;

в) уровень паразитной амплитудной модуляции не более 3%.

Примерный вид функциональной схемы передающего канала приведен на рисунке 2. В соответствии с этой схемой рекомендуется произвести расчёты предварительных параметров передающей части.

1.1 Расчёт параметров функциональной схемы передающей части канала Требуется рассчитать передающую часть канала с исходными параметрами: fC, дf, Р Н, ДfH, ДfМАКС, ДF = 300 — 3400 Гц.

Расчет параметров рекомендуется проводить в следующем порядке:

а) в таблице параметров транзистора КТ909А (Приложение 1) приведе;

ны следующие данные для типового режима его работы: РТИП = 24 Вт; К = 2,4;

f ТИП = 500 МГц, по которым может быть рассчитан коэффициент усиления мощности КР оконечного каскада на рабочей частоте

(1)

б) мощность возбуждения на входе оконечного каскада

(2)

где ЮКС — коэффициент полезного действия контура предоконечного каскада, его значение рекомендуется выбрать с запасом равным ЮКС = 0,5;

в) предоконечный каскад может быть выполнен на менее мощном тран;

зисторе КТ907А с параметрами типового режима: f ТИП = 400 МГц, КР ТИП. = 3,

по ним может быть рассчитан коэффициент КР на рабочей частоте

(3)

г) найденное значение КР позволяет определить мощность возбуждения на входе предоконечного каскада ПОК

(4)

д) предыдущий результат показал, что для возбуждения предоконечного каскада мощности буферного усилителя, нагружающего ГУН1, будет недостаточно, поэтому требуется ещё один предоконечный каскад ПОК1 на транзисторе КТ606 с мощностью возбуждения

(5)

где — 20,776

теперь мощности ГУН1 достаточно, чтобы возбудить дополнительный каскад;

е) требуется узнать оптимальную амплитуду модулирующего напряжения звуковой частоты [5,6 ]

(6)

где н — коэффициент нелинейности характеристики варикапа (обычно в большинстве случаев рекомендуется принимать н = 0,5) ;

UВ0 — напряжение постоянного смещения варикапа (обычно UВ0 = 4 — 10 В), для данного проекта можно порекомендовать варикап КВ123А с пара метрами UВ0 = 4 В при С0 = 17 пФ;

K r? 0.08 (8%).

ж) режимы автогенератора ГУН с буферным усилителем не нуждаются в предварительных расчётах.

2. Выбор функциональной схемы радиоприемной части канала Проектирование радиоприемной части канала начинается с разработки функциональной схемы. Эта схема составляется также на основе структурной схемы, приведённой на рисунке 1. Для функциональной схемы приёмника выбираются кроме коммутатора К два усилителя радиочастоты УРЧ1 и УРЧ2, первый смеситель VT1, на второй вход которого подается через буферный усилитель БУ2 сигнал с генератора, управляемого напряжением ГУН2, который выполняет роль первого гетеродина приемника. Диапазон перестраиваемых частот первого гетеродина 173,125 — 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, т.к. в ней не должна производиться частотная модуляция. Для увеличения мощности сигнала первого гетеродина и его надежной развязки от смесителя и синтезатора частоты должен быть применён буферный усилитель БУ2, собранный по каскодной схеме ОЭ — ОБ.

В состав большой интегральной схемы БИС синтезатора частоты приёмника входят те же элементы и выполнен он на микросхеме D2 типа КФ1015ПЛ4Б, либо КР1015ХК2. В качестве опорной частоты f0 = 10 МГц используется частота опорного генератора ОГ «Топаз — 03», имеющего относительную нестабильность дf? 10−5. Напряжение рассогласования, сформированное частотно-фазовым детектором синтезатора, через фильтр низких частот 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 также предусмотрена схема контроля (выв.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 f ПР1 = 21,4 МГц, выполненный по стандартной схеме. С её нагрузки — двухконтурного фильтра сигнал поступает на вход микросхемы D3 типа МС3371Р. Микросхема D осуществляет второе преобразование частоты сигнала во вторую промежуточную частоту f ПР2 = 455 кГц, её 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 стабильной частоты f Г2 = f ПР1 + 455 кГц. Сигнал второй промежуточной частоты выделяется кварцевым фильтром сосредоточенной избирательности ФСИ2 (Se С.К.? 60 дБ), усиливается и детектируется. Усиленный микросхемой D3 сигнал поступает на активный фильтр низких частот ФНЧ и на конечный усилитель в блоке автоматики и управления, выполняющий функцию частотного корректора, обеспечивающего завал частотной характеристики сигнала минус 6 дБ/октава. Далее сигнал звуковой частоты используется в блоке автоматики.

Примерный вид функциональной схемы приёмной части канала приведён на рисунке 3. По этой схеме рекомендуется произвести расчёт предварительных параметров приёмника.

2.1 Расчёт параметров функциональной схемы приемной части канала Требуется рассчитать приемную часть канала радиосвязи с исходными параметрами: fС, fГ1, UВХ. МИН, ДfПР, SeЗК, SeСК, дf.

Расчёт параметров приемного тракта рекомендуется проводить в следующем порядке:

а) полоса частот генерации ЧМ канала рассчитывается по формуле [7]

ПС = 2•FМАКС (1 + М f + vМ f), (7)

ПС = 2•3500 (1 + 1,176 + v1,176)= 22,171 КГц где М f = Д f МАКС / FМАКС — индекс частотной модуляции;

М f = 4000 / 3400=1,176

ДfМАКС — максимальная девиация частоты ЧМ сигнала;

FМАКС — максимальная частота телефонного спектра;

б) полоса частотной нестабильности канала [7,8]

ПНЕСТ = v? fC 2 +ДfГ12 + ?fПЧ12 + ?fГ22 + ?fПЧ22, (8)

ПНЕСТ = v? fC 2 +ДfГ12 = v1,553· 10? + 1,767· 10? = 5,761 • 10? Гц где? fС = (fC • дfВ) — абсолютная нестабильность частоты возбудителя;

?fГ = (fГ • дfГ) — абсолютная нестабильность частоты гетеродина;

ДfПЧ = (fПЧ? дf ПЧ) — абсолютная нестабильность тракта промежуточной частоты;

в) ширина полосы пропускания приёмного тракта П ОБЩ = П С + П НЕСТ (9)

П ОБЩ = 22, 171 + 5,761 • 10? Гц = 22,172 КГц не должна превышать 25 кГц;

г) первая промежуточная частота определяется заданной избирательностью по зеркальной помехе Se`ЗП, числом колебательных контуров в тракте nВЧ и их эквивалентным затуханием dЭ (dЭ = 0,06)

(10)

Можно принять в качестве первой промежуточной частоты стандартную, принятую в новых железнодорожных радиостанциях fПР1 = 21,4 МГц;

д) 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

(11)

где fCK = 25 кГц,, dПЧ2 0,02 (при использовании ФСИ),

nПЧ2 = 9; в качестве второй промежуточной частоты можно выбрать стандартную для железнодорожных радиостанций fПР2 = 455 кГц;

е) оценим степень ослабления второй зеркальной помехи в тракте преселектора (УРЧ) [7,8]

(12)

где dЭ. ВЧ 0,06, fПР2 = 455 кГц, fС. ВЧ = 156 МГц, nВЧ = 3;

ж) малое ослабление зеркальной помехи в преселекторе требует использования в трактах УПЧ1 и УПЧ2 фильтров сосредоточенной избирательности ФСИ кварцевого или пьезокерамического типа; рекомендуется выбрать в качестве фильтра для УПЧ1 фильтр ФП2П4−272−21,4М-18к, выполненный по техническим условиям АЦО.206.091ТУ; для работы с микросхемой D3 (рекомендуется новая микросхема МС3371Р) в качестве фильтра УПЧ2 можно использовать ФСИ типа ФП1П1−11АДКШ.433.550.001ТУ;

з) 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; (13)

UВХ. ПР1 = 0,5 • 10 = 5 мкВ и) примем общий коэффициент усиления в тракте УПЧ1

КУПЧ1 = 30,

тогда на вход второго преобразователя будет подаваться напряжение

UВХ. ПР2 = UВХ. ПР1 КУПЧ1; (14)

UВХ. ПР2 = 5 30 = 150 мкВ к) оценим общий коэффициент усиления приёмного тракта с пятикратным запасом (КЗ = 5), если на предельной чувствительности микросхема МС3361Р может выдавать выходное напряжение низкой частоты не менее 0,1 В [4]

(15)

л) коэффициент усиления, приходящийся на микросхему МС3361Р должен быть не менее

(16)

3. Расчёт наземного затухания напряженности поля, радиоволны Требуется рассчитать значения напряженности поля радиосигнала Е,

напряжений сигнала на входе кабеля, соединяющего локомотивную антенну с приёмником радиостанции и значения напряжений сигнала на входе самого локомотивного приёмника, если длина соединительного кабеля lK = 10 м, а погонное затухание кабеля б? = 0,1 дБ/м. Расчёт можно проводить в следующем порядке:

а) напряжённость поля в месте расположения локомотивной антенны Е

может быть рассчитана по квадратичной формуле Б. А. Введенского [3]

(17)

которая справедлива для ровной сферической земной поверхности, когда расстояния между абонентами свыше r0 > 1 км. В формуле (17) используются следующие функции, параметры и обозначения:

PУ — мощность, излучаемая антенной;

GA = 1,62 — коэффициент усиления простейшей стационарной антенныполуволнового вибратора;

приведённая с учётом сферичности земли высота стационарной антенны;

приведённая с учётом сферичности земли высота локомотивной антенны;

км — приведённый радиус земли с учётом нормальной тропосферной рефракции радиоволн в приземном слое атмосферы;

б) напряжение на входе кабеля, соединяющего локомотивные антенну и приёмник радиостанции, может быть рассчитано по формуле

[B], (18)

где — действующая высота локомотивного четвертьволнового вибратора;

в) напряжение на входе локомотивного приёмника радиостанции UВХ при длине кабеля lK = 10 м рассчитывается по формуле

(19)

где — коэффициент затухания напряжения в кабеле lK;

г) все расчётные данные занесены в таблицу 1, при этом все расчётные величины имеют размерности в системе СИ, тогда как в таблице 1 их значения должны представляться во внесистемных единицах: мкВ/м, мкВ и км.*)

Таблица 1 — Расчётные данные по затуханию радиоволны в канале

*) — расчёты ведутся только для расстояний r0, при которых Е > 0.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения данного курсового проекта были рассчитаны элементы усилительных каскадов, буферного усилителя и автогенератора, составляющих проектируемый передатчик. Также был рассчитан режим частотной модуляции в ГУН1, приведены предварительные расчеты основных параметров передающей части радиоканала.

При выполнении курсового проекта были использованы текстовый редактор Microsoft Word ХР, графические редакторы Visio 2000 и Paint, математический пакет Mathcad 2001 Professional.

1 Горелов Г. В., Волков А. А., Шелухин В. И. Каналообразующие устройства железнодорожной телемеханики и связи. М., 1994. 240 с.

3 Радиосвязь на железнодорожном транспорте: Учебник/ Под ред. П. Н. Рамлау. М., 1983. 367 с.

3 Атаев А. И., Болотников Д. А. Радиотехнический справочник по аналоговым микросхемам. М., 1993. 412 с.

4 Проектирование радиопередающих устройств СВЧ / Под ред. Г. М. Уткина. М., 1979. 318 с.