Цифровое радиоприемное устройство

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ РФ

РГРТУ

КАФЕДРА РТУ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

 

НА ТЕМУ «ЦИФРОВОЕ РАДИОПРИЁМНОЕ УСТРОЙСТВО»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВЫПОЛНИЛ:

СТУДЕНТ 715 ГРУППЫ

КОТОВ И.И.

ПРОВЕРИЛ:

КСЕНДЗОВ А.В.

 

 

 

 

РЯЗАНЬ 2011

Содержание.

 

Техническое задание	3
1. Введение	4
2. Предварительный выбор элементной базы	5
3. Расчет частотного плана	8
4. Расчет энергетического плана	10
5. Расчет динамического диапазона	13
6. Выбор цифровой части приемника	15
7. Заключение	20
8. Литература	21
9. Приложение: схема электрическая принципиальная	22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Федеральное агентство  по образованию РФ

РЯЗАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ  РАДИОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

КАФЕДРА РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

 

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ  N _____

 

на курсовой проект по дисциплине

«Цифровые радиоприемные устройства»

 

Студент            Котов И.И.                              Курс V        Группа  715

Руководитель  А.В. Ксендзов

Срок предоставления проекта к защите                       10 ноября 2011 г.

Наименование проекта   

 

ЦИФРОВОЕ РАДИОПРИЕМНОЕ  УСТРОЙСТВО

 

 

Технические данные

 

1	Диапазон рабочих частот, МГц	800,…,900,
2	Ширина спектра сигнала, кГц	Δf = 1000
3	Чувствительность, мкВ	Emin = 20
4	Отношение сигнал-шум  на выходе линейного тракта, дБ	qвых = 12
5	Динамический диапазон сигнала, дБ	Dвых=50
6	Избирательность по не основным каналам приема, дБ
7	Входное сопротивление аналогового тракта, Ом

 

Подпись руководителя   ____________

Подпись студента           ____________

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

          В данном курсовом проекте необходимо разработать цифровое радиоприемное устройство, которое не только удовлетворяло бы техническому заданию, но и отвечало современным требованиям на массогабаритные показатели. А также стоимость этого устройства должна быть взята в расчет при выборе элементной базы. Современные ЦРПУ строятся по двум возможным схемам в зависимости от диапазона рабочих частот. В данной работе рассмотрен спорный диапазон (850-950 МГц), так как современные технические средства, отличающиеся простотой и относительной дешевизной недавно подошли к данным частотам, когда как использование более устойчивой супергетеродинной схемы приводит к увеличению шумов на выходе схемы и ее габаритов. Поэтому, руководствуюсь этими принципами был использован прямой метод преобразования частоты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Предварительный выбор элементной базы.

 

          Для выбора элементной базы  рассмотрим состав общей структурной  схемы цифрового радиоприемника  – рис.1.

Рис. 1. Общая структурная схема  цифрового приемника

 

Рассмотрим назначений частей структурной схемы.

Аналоговая  часть приемника во многом зависит от заданных рабочих частот, полосы сигнала, избирательности по зеркальному и соседнему каналу, чувствительности  и т.д. Этот тракт выполняет предварительную селекцию и усиление принимаемых сигналов.

Далее сигнал поступает в цифровую часть приемника, в которой осуществляется основная селекция сигналов, их демодуляция, дополнительная обработка и т.д.

Исходя из заданных частот построим приемник по схеме с прямым преобразованием  частоты. В этой схеме используются входная цепь, но отсутствует преобразование частоты гетеродином. Отсутствие смесителя и синтезатора частот улучшают шумовые характеристика приемника, так как дополнительные ИМС имеют достаточно высокие коэффициенты шума, а использование малошумящих – дорогостояще. ВЦ осуществляет частотную селекцию сигналов, подавление помех и защиту первых каскадов.

          Входная цепь отличается от ранее используемых резонансных контуров на дискретных элементах. Сейчас применяются фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Данные фильтры позволяют получить широкую полосу частот, малые потери и эффективно подавить помехи вне полосы. Достаточно выбрать один или несколько, объединенных в группу, фильтров, которые охватят нужную полосу частот.

В качестве входной цепи выберем фильтр на ПАВ  5555М-850

          Усилитель резонансной частоты. Правильный выбор УРЧ позволяет реализовать требуемую чувствительность и в максимальной степени сократить шумы всего тракта. Поэтому УРЧ должен быть малошумящим, т.е. с малым коэффициентом собственного шума. Среди всего многообразия активных элементов, на которых возможно построение каскадов УРЧ, следует выделить полевые малошумящие транзисторы и микросхемы. Поскольку мы реализуем цифровой приемник (отличающийся большим количеством микросхем), то и УРЧ выполним на микросхеме. Выберем ИМС фирмы Maxim MAX2371 со следующими характеристиками:

   -  полоса  усиливаемых частот 100 – 1000 МГц

   - максимальный  коэффициент устойчивого усиления (на частоте 900 МГц, при управляющем  и питающем напряжении +3В) 20 дБ

   -  коэффициент шума (на частоте 850 МГц) 1.8 дБ

   -  номинальное  напряжение питания +3В

   -  наличие  АРУ

Рис. 2. Структурная схема MAX2371

 

 

 

 

 

 

          Фильтр промежуточной частоты и усилитель промежуточной частоты используется для дополнительной фильтрации сигнала и увеличения его мощности. В зависимости от выбора УРЧ можно принять решение об использовании эти устройств. Если выбранный УРЧ удовлетворяет заданным условиям работы цифрового приемника, то нет необходимости перегружать схему дополнительными узлами, а сразу подавать сигнал на АЦП. В ином случае, если фильтрации и усиления недостаточно, то в зависимости от анализа работы УРЧ следует точно выбрать параметры ФПЧ и УПЧ, чтобы также не перегружать схему дополнительными узлами, так как от площади, занимаемой блоками цифрового приемника, напрямую зависят его габариты, а от сложности - стоимость.

АЦП производит дискретизацию во времени и квантование по уровню принятого аналогового сигнала. Частота взятия отсчетов должна быть согласована с шириной спектра сигнала и частотой сигнала.

Цифровая  обработка сигнала основанная на DDC (Digital Down Converter) и микроконтроллере (микропроцессоре, цифровом сигнальном процессоре), осуществляет требуемую обработку сигнала по внутренней программе, написанной разработчиком.

Цифровой  синтезатор частот (DDS) вырабатывает необходимые тактовые сигналы, в первую очередь частоту дискретизации для АЦП.

Микроконтроллер управляет работой схемы через DDC.

 

Расчет частотного плана.

 

Частотный план представляет собой ось частот, на которой отображены спектр сигнала, АЧХ преселектора и другие необходимые параметры. Для его построения первостепенным является нахождение частоты дискретизации.

Для расчета частоты  дискретизации необходимо знать  следующие параметры:

- центральная частота полосы сигналов:

f₀= (f_max-f_min)/2= [(900-800)×10⁶]/2= 50МГц

- полоса рабочих частот определяется по реальной полосе, которая получается после входной цепи (ПАВ фильтра), на уровне избирательности по не основным каналам. С учетом спецификаций на фильтры было определено, что полоса частот на уровне -60 дБ равна  

Df_N=130МГц

- ширина спектра сигнала Df_S=1000кГц

 

 

Число частотных каналов  равно:

N=Df_N /Df_S=(130×10⁶)/(1000×10³)=130

Частоту дискретизации рассчитываем по алгоритму:

Нулевое приближение частоты дискретизации:

f_д0=2×Df_N=2×130×10⁶=260МГц

k= f₀/ f_д0=(850×10⁶)/(260×10⁶)=3

Первое приближение  к частоте дискретизации:

f_д1=(4×f₀)/(4×k+1)=(4×850×10⁶)/(4×3+1)=262МГц

Так как условие  выполняется, то конечная частота дискретизации равна: f_д=262МГц

 

В результате анализа  разновидностей АЦП был выбран аналого-цифровой преобразователь AD9218 с характеристиками приведенными в приложении:

 

Изобразим частотный  план – рис. 3.

Рис. 3. Частотный план

 

Расчет энергетического плана.

 

Энергетический план устанавливает соотношения между  параметрами аналоговой и цифровой частями. В результате анализа получается выражение, позволяющее выявить  взаимосвязь между характеристиками аналоговой и цифровой части. Это дает способ, изменять параметры одной части, варьируя параметры другой.

При расчете шумовых  параметров в скобках указаны  их значения в дБ по мощности.

Рассчитаем коэффициент шума аналоговой части:

- коэффициент шума входной цепи, – коэффициент шума МШУ

          При  этом коэффициент шума входной  цепи обратно пропорционален  ее коэффициенту передачи:

          Коэффициент передачи по мощности  входной цепи равен (согласно  техническим данным на фильтры, среднее затухание равно 3 дБ):

_{Hp.ВЦ=10^-3/10=0.501}

_{KшВЦ=1/0.501=1.99}

          Коэффициент шума МШУ на частоте 850 МГц равен 1.06 дБ (по техническим данным на микросхему MAX2371):

_{KшМШУ =10^1,06/10=1.276}

Тогда коэффициент шума аналогового тракта равен:

_{Kша=1.99+ (1.276-1)/0.501=2.57}

По мощности это составляет 3.65 дБ

Коэффициент шума всего приемника  при согласовании равен:

 – чувствительность по ТЗ, – отношение сигнал-шум на выходе АТ (по ТЗ), - постоянная Больцмана, – сопротивление антенны, – шумовая температура антенны, - рабочая температура

В ходе анализа [4] примем

T_a=295.5 K

T₀=303 K

Отношение сигнал-шум равно:

 _{Kш=(20×10^-6)²/(1.38×10^-23×303×130×10⁶×15.843×50)]-295.5/303+1»0.94}

Увеличение коэффициента шума за счет цифровой обработки:

_{b ≥ Kш/Kша=0.94/2.57=0.37}

Возьмем β≈1.1.

          Далее найдем мощность шума  на входе АЦП при условии согласования АЦП с аналоговым трактом по сопротивлению:

P_{ш.вх.АЦП}=k×T₀×Df_N=1.38×10^-23×303×130×10⁶=0.54×10^-12Вт

Шаг квантования при  учете эффективной разрядности  АЦП:

А = 5 В – апертура АЦП по документации

На частоте 850 МГц эффективная разрядность АЦП составляет 12 бит.

          Мощность шумов квантования определим  исходя из предположения о  равномерном распределении шума  квантования:

R_АЦП – входное сопротивление АЦП согласно документации на АЦП

R_АЦП = 5кОм

Коэффициент шума АЦП  равен

_{КшАЦП=1+(24.8×10^-12)/(0.54×10^-12)=46.926}

          Так как входное сопротивление  АЦП не равно выходному сопротивлению  аналогового тракта, то необходимо  согласовать. В качестве согласующей  цепи можно применить трансформатор  длинная линия или повышающий  ФНЧ трансформатор, отличающий небольшими габаритами, малым коэффициентом потерь  и получением любого коэффициента трансформации. Кроме того, ФНЧ трансформатор можно согласовать с полосой рабочих частот и дополнительно давить помехи.

Коэффициент трансформации  согласующей цепи:

Тогда шаг квантования  изменяется: