Радиоприемные устройства. ЧМ приемник

Радиоприемные устройства входят в состав радиотехнических систем связи, т. е. систем передачи информации с помощью электромагнитных волн Радиоприемное устройство состоит из приемной антенны, радиоприемника и оконечного устройства предназначенного для воспроизведения сигналов. Радиоприемники можно классифицировать по ряду признаков, из которых основными являются: тип схемы, вид принимаемых сигналов, назначение приемника, диапазон частот, вид активных элементов, используемых в приемнике, тип конструкции приемника.

По типу схем различают приемники детекторные, прямого усиления (без регенерации и с регенерацией), сверхрегенеративные и супергетеродинные приемники, обладающие существенными преимуществами перед приемниками других типов и широко применяемые на всех диапазонах приемников.

Принимаемые сигналы служат для передачи сообщений или измерения положения и параметров относительного движения объектов. Сигналы могут передавать сообщения от одного источника или нескольких. Для передачи информации используется изменение одного из параметров сигнала по закону изменения информационного сигнала. Используются: непрерывные колебания с изменяемой (модулированной) амплитудой, частотой или фазой; колебания, скачкообразно изменяемые (манипулированные) по амплитуде, частоте, или разности фаз; колебания с изменяемой амплитудой, частотой или фазой, которые обусловлены видеоимпульсами с амплитудной, широтной, временной, или дельта-модуляцией, а также кодовыми группами видеоимпульсов.

По назначению различают приемники связные, радиовещательные, телевизионные, радиорелейных и телеметрических линий, радиолокационные, радионавигационные и другие. Связные радиоприемники чаще всего служат для приема одноканальных непрерывных сигналов с АМ (с несущей и боковыми полосами), ОБП (однополосной) и ЧМ или дискретных сигналов с амплитудной манипуляцией, частотной или фазовой. Радиовещательные приемники (монофонические) принимают одноканальные непрерывные сигналы с АМ на длинных, средних и коротких волнах и с ЧМ на ультракоротких волнах. Приемники черно-белых телевизионных программ принимают непрерывные сигналы с АМ и частичным подавлением одной боковой полосы частот и звуковые сигналы с ЧМ. Приемники цветных телевизионных программ принимают также сигналы, создающие цветное изображение. Приемники оконечных станций радиорелейных и телеметрических линий обычно предназначены для приема и разделения каналов многоканальных сигналов с частотным и временным уплотнением.

Приемники промежуточных станций радиорелейных линий (наземных и спутниковых) отличаются от приемников оконечных станций тем, что в них не происходит разделения многоканальных сигналов.

Импульсные радиолокационные приемо-передающие станции обычно излучают зондирующие радиоимпульсы с фиксированными периодами следования, длительностью импульсов, амплитудой и несущей частотой. Приемники таких станций служат для приема части энергии зондирующих сигналов, отраженной от целей. Отраженные сигналы могут быть импульсными или непрерывными, причем информация о целях может содержаться в изменении во времени амплитуды (или отношения амплитуд) и частоты (или спектре) сигналов.

Согласно рекомендации МККР (Международного консультативного комитета по радио) спектр радиосвязи делится на диапазоны. Наиболее широко распространенные приемники работают в диапазоне 30 кГц — 300 ГГц (на волнах 10 км — 1мм).

В качестве активных элементов каскадов приемников, работающих на частотах 30 кГц — 300 МГц, используются полупроводниковые приборы и электронные лампы. Предпочтение отдается полупроводниковым приборам благодаря их преимуществам (малые габаритные размеры и масса; низкие напряжения и токи питания; большой срок службы и механическая прочность).

Приемники конструктивно выполняются из отдельных (навесных) активных и пассивных элементов с печатным или объемным монтажом или из готовых интегральных микросхем, представляющих собой каскады, узлы приемников и даже целые приемники.

Расчет структурной схемы

Рис. 1 Структурная схема ЧМ приемника.

Приемник состоит из следующих узлов:

ВЦ — входная цепь УРЧ — усилитель радиочастоты См. — смеситель Гет. — гетеродин УПЧ — усилитель промежуточной частоты ЧД — частотный детектор АПЧ — автоматическая подстройка частоты ОУ — оконечный усилитель

Расчет полосы пропускания линейного тракта приемника

Исходные данные:

Нестабильность частоты сигнала кГц Нестабильность частоты гетеродина кГц Неточность настройки гетеродина кГц Неточность настройки тракта ПЧ кГц Индекс частотной модуляции

Ширина полосы пропускания линейного тракта приемника складывается из ширины спектра принимаемого сигнала, доплеровского смещения частоты сигнала и запаса полосы, требуемого для учета нестабильностей и неточностей настроек приемника.

кГц Доплеровское смещение частоты сигнала равно:

Так как скорость перемещения приемника относительно передатчика намного меньше скорости распространения радиоволн, примем

Полоса частот ЧМ-сигнала определяется формулой:

кГц Применим в приемнике автоподстройку частоты с коэффициентом

Полоса пропускания с учетом АПЧ:

кГц Полоса пропускания преселектора:

кГц

Расчет допустимого коэффициента шума.

Исходные данные:

мкВ

м

мкВ/м

К

Ом

Дж/К Шумовая полоса определяется по формуле:

кГц Рассчитываем отношение сигнал/шум на входе приемника:

где — отношение амплитудного значения сигнала к действующему, кГц — полоса пропускания ОУ, — индекс модуляции.

Определяем допустимый коэффициент шума приемника:

Выбор средств обеспечения избирательности по соседнему и зеркальному каналу

Исходные данные:

дБ

дБ Выбираем одноконтурное входное устройство и одноконтурный УРЧ.

Для заданного ослабления на краях полосы пропускания по обобщенным кривым селективности определяем значение обобщенной расстройки:

Вычисляем эквивалентное затухание нагруженных контуров преселектора:

Минимально достижимое затухание ненагруженных контуров:

Если принимаем

— коэффициент шунтирования контура активным прибором (для полевых транзисторов).

Находим обобщенную расстройку для зеркального канала:

По обобщенным кривым селективности находим ослабление зеркального канала: дБ Находим обобщенную расстройку и ослабление на краях полосы пропускания преселектора:

Обобщенная расстройка и ослабление для соседнего канала преселектора:

дБ Определяем ослабление на краях полосы пропускания тракта ПЧ:

Минимально требуемое ослабление тракта ПЧ по соседнему каналу:

дБ Выбираем УПЧ с ФСИ.

Выбор средств обеспечения усиления линейного тракта

Исходные данные:

мкВ

мкВ Определяем коэффициент передачи входной цепи на крайних частотах диапазона:

Коэффициент устойчивого усиления:

Определяем коэффициент усиления УРЧ на крайних частотах диапазона:

Коэффициент передачи преобразователя частоты можно принять равным .

Взяв минимальные значения и находим коэффициент усиления УПЧ:

— коэффициент запаса усиления, учитывающий старение электронных приборов, расстройку контуров и уменьшение напряжений питания.

Расчет входной цепи

приемник частотная модуляция шум канал

Входная цепь с трансформаторной связью с удлиненной антенной и автотрансформаторной связью с первым каскадом.

Рис. 2 Схема входной цепи.

Исходные данные:

Антенна штыревая Емкость антенны пФ

пФ

пФ Разброс емкости антенны

Диапазон частот

МГц

МГц Коэффициент перекрытия

Коэффициент удлинения

Входная проводимость УРЧ См Входная емкость УРЧ пФ Затухание ненагруженного контура

Затухание нагруженного контура

Добротность антенной цепи Подстроечный конденсатор (2) CTC 038−10RSM :

пФ

пФ

= до 50 В Находим емкость схемы, не изменяющуюся при перестройке:

пФ Определяем индуктивность контура:

мкГн Определяем число витков катушки по формуле

Задаем значения диаметра намотки см и длины намотки см

витка Принимаем витков.

Определяем индуктивность катушки связи:

мкГн Рассчитываем число витков катушки связи.

Задаем значения диаметра намотки см и длины намотки см

витка Принимаем витков.

Частота настройки антенной цепи:

МГц Коэффициент связи между катушками:

Характеристическое сопротивление контура:

Ом Определяем проводимости ненагруженного и нагруженного контура:

См

См Рассчитываем коэффициент включения контура во входную цепь УРЧ:

Находим значение коэффициента связи, при котором затухание контура увеличится не более, чем на 25%, а коэффициент передачи уменьшится не более, чем на 25%:

Определяем значение коэффициента связи, допустимое по соображениям расстройки входного контура:

Выбираем меньшее значение коэффициента связи

Определяем взаимную индуктивность между катушками:

мкГн Рассчитываем емкость подстроечного конденсатора:

пФ Расчет коэффициента передачи входной цепи.

Расчет усилителя радиочастоты

Выбираем одноконтурный УРЧ на полевом транзисторе с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа.

Рис. 3 Схема УРЧ Исходные данные.

Емкость нагрузки Сопротивление нагрузки

МГц

МГц Коэффициент перекрытия

Затухание ненагруженного контура

Затухание нагруженного контура

Подстроечный конденсатор (2) CTC 038−10RSM

пФ

пФ

= до 50 В Транзистор КП307А:

пФ

пФ

кОм

мА/В

В

мА

В Коэффициент устойчивого усиления

Находим емкость схемы, не изменяющуюся при перестройке:

пФ Определяем индуктивность контура:

мкГн Определяем число витков катушки по формуле

.

Задаем значения диаметра намотки см и длины намотки см

витка Принимаем витков.

Характеристическое сопротивление контура на минимальной и максимальной частоте:

Ом

Ом Определяем коэффициент включения контура со стороны транзистора, исходя из условия получения максимально устойчивого усиления.

Коэффициент шунтирования:

Определяем коэффициент включения контура со стороны транзистора, исходя из условия получения оптимального согласования на минимальной частоте диапазона:

Выбираем меньшее значение

Рассчитываем коэффициент включения контура во входную цепь следующего каскада:

Выбираем значение

Рассчитываем индуктивность катушки связи. Задаемся собственной частотой контура, образованного катушкой связи и выходной емкостью транзистора МГц

мкГн Рассчитываем число витков катушки связи.

Задаем значения диаметра намотки см и длины намотки см

витка Принимаем витка.

Рассчитываем коэффициент связи с контуром:

Рассчитываем коэффициент усиления УРЧ на крайних частотах диапазона:

Находим емкость подстроечного конденсатора:

пФ Расчет элементов, обеспечивающих режим по постоянному току.

Сопротивление резистора определяем по формуле:

Ом Напряжение питания примем равным В Рассчитываем сопротивление фильтра:

Ом Выбираем резисторы МЛТ-0,125 сопротивлением 120 Ом и 240 Ом.

Сопротивление в цепи затвора кОм Расчет разделительных, фильтрующих и блокировочных емкостей:

нФ Выбираем пФ

нФ Выбираем пФ

пФ Выбираем пФ

Расчет смесителя

Рис 4. Схема преобразователя частоты.

Исходные данные:

пФ

кОм

МГц Параметры микросхемы К174ПС1

пФ

мкСм

мСм

пФ Крутизна преобразования мА/В Напряжение питания В Потребляемый ток мА Коэффициент шума дБ Рис. 5 Схема ИМС К174ПС1

Расчет контура.

Рассчитываем необходимое затухание контура

Задаемся значением емкости контура пФ.

Емкость конденсатора пФ Определяем индуктивность контура:

мкГн Определяем число витков катушки по формуле

.

Задаем значения диаметра намотки см и длины намотки см

витка Принимаем виток.

Характеристическое сопротивление контура:

Ом Определяем проводимости ненагруженного и нагруженного контура:

мСм

мСм Коэффициент шунтирования:

Рассчитываем коэффициент включения контура во входную цепь УПЧ:

Находим емкость подстроечного конденсатора:

пФ Напряжение источника питания В Рассчитываем сопротивление фильтра:

Ом Сопротивление Ом Выбираем резистор МЛТ-0,125 сопротивлением 270 Ом и 200 Ом.

Расчет разделительных, фильтрующих и блокировочных емкостей.

мкФ Выбираем мкФ

пФ Выбираем пФ.

Расчет усилителя промежуточной частоты

Рис 6. Схема УПЧ.

Исходные данные:

Промежуточная частота МГц Коэффициент усиления

Сопротивление нагрузки Ом Фильтр сосредоточенной избирательности ФП1П-049а Полоса пропускания кГц

Ом Ослабление за пределами полосы пропускания дБ

дБ Транзистор КП303А:

пФ

пФ

мСм

мСм

В

мА

В Коэффициент шума дБ Определяем показатель связи фильтра с усилителем:

где

Вычисляем индуктивность контурной катушки:

мкГн Определяем число витков катушки по формуле

.

Задаем значения диаметра намотки см и длины намотки см

витка Принимаем витков.

Коэффициент включения:

Индуктивность катушки связи фильтра с контуром:

мкГн Число витков катушки связи.

Задаем значения диаметра намотки см и длины намотки см

витка Принимаем витков.

Емкость контура:

пФ Выбираем конденсатор емкостью 6.8 пФ.

Определяют коэффициент передачи каскада:

Сопротивление в цепи затвора выбираем кОм Входная проводимость каскада с ФСИ:

мСм Расчет апериодического каскада УПЧ:

Рассчитываем проводимость нагрузки в цепи стока:

См Рассчитываем сопротивление резистора :

кОм

Выбираем резистор МЛТ-0,125 сопротивлением 510 Ом.

Расчет элементов, обеспечивающих режим по постоянному току.

Сопротивление резистора и определяем по формуле:

Ом Напряжение питания примем равным В Рассчитываем сопротивление фильтров:

Ом

Ом Выбираем резисторы МЛТ-0,125 сопротивлением 620 Ом и 91 Ом.

Расчет разделительных, фильтрующих и блокировочных емкостей.

мкФ

мкФ Выбираем мкФ и мкФ

мкФ Выбираем мкФ

пФ Выбираем пФ Сопротивление в цепи затвора выбираем кОм Входная проводимость УПЧ: мСм.

Расчет ЧМ детектора

Выбираем частотно-фазовый детектор с фазосдвигающим контуром и схемой совпадений на ИМС К174УР3.

Рис 7. Схема ЧМ детектора.

Исходные данные:

МГц Параметры микросхемы К174УР3:

Входное напряжение мкВ Коэффициент подавления АМ 40 дБ Выходное напряжение 100 мВ Напряжение питания В Потребляемый ток мА Коэффициент гармоник %

При МГц емкости, ,, выбираются равными 0,047 мкФ.

Ом Расчет фазосдвигающего контура.

Рассчитываем необходимую добротность контура

Выбираем емкость конденсатора. При МГц емкость конденсатора должна составлять 300…470 пФ.

пФ Рассчитываем емкость контура с учетом емкости монтажа и входной емкости ИМС:

пФ Рассчитываем индуктивность контура:

мкГн Определяем число витков катушки по формуле

.

Задаем значения диаметра намотки см и длины намотки см

витка Принимаем витков.

Рассчитываем проводимости контура:

мСм мСм Определяем сопротивление шунтирующего резистора:

кОм Выбираем кОм где См — проводимость ИМС со входов, к которым подключен фазосдвигающий контур.

Определяем значение емкостей последовательных конденсаторов

пФ

пФ Рассчитываем сопротивление фильтра:

Ом Выбираем резистор МЛТ-0,125 сопротивлением 510 Ом.

мкФ Выбираем мкФ

Выбор оконечного усилителя

Оконечный усилитель двухкаскадный. Первый каскад на транзисторе с ОЭ усиливает сигнал по напряжению. Второй каскад двухтактный бестрансформаторный усилитель мощности на комплементарных транзисторах. Схема приведена на рисунке 2.

Рис. 8 Схема оконечного усилителя.

Исходные данные:

Выходная мощность Вт Сопротивление нагрузки Ом Входное напряжение мВ Определяем коэффициент усиления по напряжению:

Приближенный расчет АПЧ

Структурная схема системы АПЧ

ЧД — частотный детектор ФНЧ — фильтр нижних частот УПТ — усилитель постоянного тока Исходные данные:

Крутизна регулировочной характеристики гетеродина кГц/мВ Крутизна характеристики ЧД мВ/кГц Коэффициент автоподстройки

Коэффициент передачи ФНЧ

Рассчитываем коэффициент усиления УПТ:

Схема УПТ на основе операционного усилителя

1. «Проектирование радиоприемных устройств». Под редакцией А. П. Сиверса. Учебное пособие для вузов. М., «Советское радио», 1976 г.

2 «Справочник по проектированию приемно-усилительных устройств». М. К. Белкин, В. Т. Белинский, Ю. Л. Мазор.-2-е изд. К: Выща шк., головное изд-во, 1988 г.