Обгрунтування необхідності використання у радіотехніці фазоманіпульованих сигналів

ЗМІСТ

ПЕРЕЛІК ДОПУСТИМИХ СКОРОЧЕНЬ 4

ВСТУП 5

1 ОБГРУНТУВАННЯ  НЕОБХІДНОСТІ ВИКОРИСТАННЯ У  РАДІОТЕХНІЦІ ФАЗОМАНІПУЛЬОВАНИХ  СИГНАЛІВ 6

2 РОЗРОБКА  СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ ПЕРЕДАВАЧА  РАДІОМОВЛЕННЯ 9

3 РОЗРОБКА  ТА РОЗРАХУНОК ЕЛЕМЕНТІВ ПРИНЦИПОВОЇ  СХЕМИ  ПІДСИЛЮВАЧА ПОТУЖНОСТІ 15

ВИСНОВКИ 19

Перелік посилань 20

 

 

ПЕРЕЛІК ДОПУСТИМИХ СКОРОЧЕНЬ

РПП – радіопередавальний пристрій ;

АГ – автогенератор;

БЖ – блок живлення;

ІМ – імпульсний модулятор;

АПЧ – автоматичне підстроювання  частоти;

ПП – підсилювач потужності;

УКХ – ультра короткі  хвилі;

ЧМ – частотна модуляція;

ФМ – фазова модуляція;

РЛС – радіолокаційна станція;

ЛЗХ – лампа зворотної  хвилі. 

 

ВСТУП

Курсове проектування в навчанні майбутнього інженера має на меті декілька задач. Основною задачею є  закріплення набутих в ході навчання знань. В процесі роботи над курсовим проектом необхідно творчо розглядати поставлені питання. В будь-якому  випадку необхідно досконало  володіти теорією розробки приймальних  пристроїв. Знати, та мати цілісне уявлення про процеси, які протікають всередині  пристрою та за його межами, враховувати  всі фактори впливу на розроблювальну систему. Та обов’язково розв’язати всі питання, та задачі що виникають  при розробці пристрою.

Метою  даної  курсової  роботи  є вибір та розрахунок принципової електричної схеми підсилювача потужності  робота буде містити три розділи:

1. Перший  розділ  роботи присвячено обгрунтуванню необхідності використання у радіотехніці фазомодульованих сигналів.
2. У  другому розділі проведемо загальний аналіз принципів побудови радіопередавальних пристроїв та вибору структурної схеми для подальшого розгляду.
3. Третій  розділ  присвятимо  розрахунку  принципової електричної схеми підсилювача потужності  відповідно до заданих параметрів.

 

 

 

1 ОБГРУНТУВАННЯ НЕОБХІДНОСТІ ВИКОРИСТАННЯ У РАДІОТЕХНІЦІ ФАЗОМАНІПУЛЬОВАНИХ СИГНАЛІВ

Модуляція   — змінювання в часі за заданим законом параметрів (характеристик) якогось з регуляторних фізичних процесів. Практичне значення має модуляція коливань — накладання низькочастотного інформаційного сигналу  на високочастотний сигнал-носій  для передачі на великі відстані.

Для передачі сигналів на великі відстані необхідно, щоб вони володіли великою енергією. Відомо, що енергія сигналу пропорційна четвертій степені його частоти, тобто сигнали з більшою частотою володіють більшою енергією. На практиці часто сигнали, що несуть у собі інформацію, наприклад, мовні сигнали, мають низьку частоту коливань і тому, щоб передати їх на велику відстань необхідно частоту інформаційних сигналів підвищувати. Цього досягають шляхом «накладання» інформаційного сигналу на інший сигнал, який має високу частоту коливань.

Модуляція радіосигналу —  процес зміни одного або кількох  параметрів високочастотного модульованого  коливання за законом низькочастотного інформаційного сигналу. Розрізняють  аналогову, цифрову та імпульсну  модуляцію.

Аналогова модуляція: амплітудна модуляція, кутова модуляція, сигнально-кодова модуляція, сигма-дельта модуляція.

Цифрова модуляція (її частіше  називають маніпуляція): амплітудна маніпуляція, фазова маніпуляція, частотна маніпуляція, квадратурна амплітудна маніпуляція тощо.

Імпульсна модуляція: широтно-імпульсна  модуляція (ШІМ), імпульсно-кодова модуляція (ІКМ), частотно-імпульсна модуляція (ЧІМ), фазово-імпульсна модуляція (ФІМ).

Прилад, який використовується для модуляції називається модулятором. Для зворотного отримання низькочастотного сигналу використовують демодулятор. Пристій, який одночасно виконує обидві операції, називається модемом (модулятор-демодулятор).

Розглянемо детальніше фазову маніпуляцію. Фазова маніпуляція (ФМн, англ. Phase-shift keying (PSK)) - один з видів  фазової модуляції, при якій фаза несучого коливання змінюється стрибкоподібно в залежності від інформаційного повідомлення. Фазоманіпулірований  сигнал має наступний вигляд:

 

де - визначає огинаючу сигналу; - є модулюючим сигналом і може приймати М дискретних значень; - частота несучої; t - час. Якщо М=2, то фазова маніпуляція називається двійковою фазовою маніпуляцією ((BPSK, B-Binary - 1 біт на 1 зміну фази), якщо – М=4 квадратурною фазовою маніпуляцією (QPSK, Q-Quadro - 2 біти на 1 зміну фази), М=8 (8-PSK - 3 біти на 1 зміну фази) і т. д. Таким чином, кількість біт n, переданих одним стрибком фази, є ступенем, в яку зводиться двійка при визначенні числа фаз, потрібних для передачі n-порядкового двійкового числа.

Двійкова фазова маніпуляція (англ. BPSK - binary phase-shift keying) - найпростіша  форма фазової маніпуляції. Робота схеми двійковій ФМн полягає  в зміщенні фази несучого коливання  на одне з двох значень, нуль або (180 °). Двійкову фазову маніпуляцію можна  також розглядати як окремий випадок  квадратурної маніпуляції (QAM-2).  Ця модуляція є самою перешкодостійкою з усіх видів ФМн, тобто при використанні бінарної ФМн ймовірність помилки при прийомі даних найменша. Однак кожен символ несе тільки 1 біт інформації, що обумовлює найменшу в цьому методі модуляції швидкість передачі інформації.

При квадратурній фазовій  маніпуляції (англ. QPSK - Quadrature Phase Shift Keying або 4-PSK) використовується сузір'я з  чотирьох точок, розміщених на рівних відстанях на колі. Використовуючи 4 фази, в QPSK на символ припадає два біти. Аналіз показує, що швидкість може бути збільшена в два рази відносно BPSK при тій же смузі сигналу, або  залишити швидкість колишньою, але зменшити смугу вдвічі.иХоча QPSK можна вважати квадратурною маніпуляцією (QAM-4), іноді її простіше розглядати у вигляді двох незалежних модульованих несучих, зміщених на 90°. При такому підході парні (непарні) біти використовуються для модуляції синфазної складової, а непарні (парні) - квадратурної складової несучої. Так як BPSK використовується для обох складових несучої, то вони можуть бути демодульовані незалежно.

Необхідність використання фазової модуляції в радіотехнічній апаратурі зумовлена тим, що передача дискретних сигналів з фазовою маніпуляцією забезпечує вищу перешкодозахищеність приймача ніж при амплітудній  чи частотній маніпуляціях. Це пояснюється  тим, що спектр сигналу з ФМн вдвічі вужчий ніж при ЧМн, а амплітуди  бокових частот вдвічі більші ніж  при АМн. Крім того при ФМн  послаблюються  перешкоди, що неспівпвдають з модулюючим сигналом. Таким чином отримуємо  виграш по потужності в два рази при переході від ЧМн до ФМн, та в чотири рази припереході від  АМн.

При передачі ФМн сигналів, приймач повинен містити синхронний гетеродин, що працюватиме синфазно з передавальною стороною, це реалізувати  досить складно і є основним недоліком  ФМн.  Однак цей недолік повністю усувається в системах з відносною  фазовою маніпуляцією, в яких за допогою зворотного зв’язку порівнюються фази прийнятої посилки з попередньою  і фіксується зміна фази між ними.

 

2 РОЗРОБКА СТРУКТУРНОЇ  СХЕМИ ПЕРЕДАВАЧА РАДІОМОВЛЕННЯ

 Радіопередавальні пристрої, представляють складну систему,  до складу якої входять високочастотний  тракт, модулятор для управління  коливаннями високої частоти  відповідно до переданої інформації, джерела живлення, пристроїв охолоджування  і захисту.

Діапазон  УКХ, в якому  і буде працювати розробляємий передавальний  пристрій, володіє величезною інформаційною  ємкістю, і тому його використовують для передачі широкосмугових сигналів: імпульсних, телевізійних, багатоканальних  повідомлень і ін. Радіопередавачі  в діапазоні УКХ застосовують в станціях радіолокації (РЛС), телебаченні, лініях ретрансляції зв'язку, для радіомовлення  і багатьох інших спеціальних  призначень.

Радіопередавальні пристрої, можна класифікувати за призначенням, діапазону хвиль, потужністю, видом  модуляції, умовами роботи і ін. Ці ознаки визначають специфіку проектування кожного виду передавачів. Так, робочий  діапазон хвиль і потужність на виході обумовлюють вибір активних елементів  і конструкцію коливальної системи. У вихідних каскадах передавачів  застосовують транзистори, металокерамічні  лампи, пролітні клістрони, магнетронні  генератори,  лампи  біжучої хвилі, і інші прилади. Оскільки вимоги до стабільності частоти сучасних передавачів  дуже високі, то застосовують порівняно  низькочастотні  малопотужні збудники, для яких легко забезпечити підвищену  стабільність частоти. Потім ці малопотужні  коливання підсилюють подальшими ступенями  і підвищують їх частоту в помножувачах. Амплітудну і імпульсну модуляцію  коливань здійснюють у вихідних ступенях, частотну модуляцію — в збудниках, причому для забезпечення високої  стабільності несучої частоти застосовують систему автоматичного підстроювання  частоти (АПЧ). Прості передавачі фазоманіпульованих сигналів до недавнього часу складалися з потужного автогенератора, фазового модулятора і джерела живлення. Зараз істотно підвищилися вимоги до стабільності їх частоти, для чого стали використовувати багатокаскадні схеми. Початковими вимогами при складанні структурної схеми передавача є ті, які витікають з технічних умов на радіосистему в цілому, наприклад потужність в навантаженні Рн, робоча частота або діапазон частот fn...fs, нестабільність частоти (короткочасна і довготривала), спосіб управління коливаннями і допустимі рівні спотворень побічних і в несмугових випромінювань. Зазвичай обумовлюють умови роботи  (стаціонарні, мобільні, бортові) і загально технічні вимоги на габаритні розміри, масу, вартість, надійність, довговічність і ін.

Структурні схеми радіопередавальних пристроїв в діапазоні УКХ  будують по тих же принципах, що і  в інших діапазонах частот. Вирішальним  при виборі схеми є вимога до нестабільності частоти. Орієнтування вважається, що в однокаскадних передавачах  можна реалізувати відносну нестабільність частоти не менше 10^-4. При меншій нестабільності передавачі реалізують по багатокаскадних схемах.

Структурна схема однокаскадного передавача (рис. 2.1) включає антену (А), генераторний прилад (АГ), що працює в режимі самозбудження, тобто автогенератор (магнетрони, лампа зворотної хвилі  М-типу — ЛЗХ, тріод і ін.), модулятор (М)(в нашому випадку фазовий), управляючий  коливаннями УКХ, і блок живлення (БЖ) автогенератора і модуляційного тракту. Прикладом однокаскадного передавача може служити магнетронний передавач радіолокації.

Вибір структурної схеми  зводиться до вибору типу, який з  урахуванням втрат в колах  узгодження з антеною повинен  мати номінальну потужність Р_1ном на 10... 20% більше потрібною в навантаженні:

;

 

Рисунок 1.1 - Структурна схема одноканального радіопередавача

У довідкових даних на прилад зазвичай вказаний режим живлення електродів, що рекомендується.

Іншим прикладом  однокаскадного передавача може служити  передавач, що використовується в системі  радіопротидії. Він будується по однокаскадній схемі на ЛЗХ. Змінюючи напругу на уповільнюючій структурі, можна перебудовувати частоту випромінювання в межах октави.

Рисунок 2.2  -  Структурна схема багатокаскадного радіопередавача 

 

На рис. 2.2 приведений варіант  структурної схеми багатокаскадного передавача, що працює, наприклад, в  РЛС безперервної дії. Так само будують  передавачі радіорелейних ліній  зв'язку через штучні супутники Землі. Збудник (З) за допомогою модулятора (М) здійснює модуляцію. Висока стабільність несучої частоти підтримується системою АПЧ. Буферний каскад (БК) послаблює вплив подальших потужніших каскадів на частоту коливань. Каскади множення частоти (МЧ) або підсилення потужності (ПП) перетворять частоту збудника і збільшують його потужність до потрібної. Для підвищення стабільності частоти збудник працює зазвичай на низькому рівні потужності (одиниці-десятки мілі ват) на частотах 20 ... 100 Мгц. Помножувачі частоти також ослабляють паразитні зв'язки між каскадами, а отже, сприяють підвищенню стійкості і надійності роботи всієї системи. Вихідний каскад працює зазвичай в режимі підсилення потужності і з'єднується з антеною фідером або хвилеводним трактом.

У багатокаскадних передавачах  з швидкою перебудовою на будь-яку  частоту заданого діапазону при  високих вимогах до стабільності частоти як збудника застосовують синтезатор сітки стабільних частот і широкосмугові  каскади множення частоти і посилення  потужності.

Малопотужні каскади виконують  на мікросхемах, проміжні і вихідні  каскади середньої потужності - на транзисторах, великій потужності - на електронних приладах НВЧ.

Розрахунок багатокаскадного передавача починають з вихідного  каскаду. По заданій потужності в  навантаженні Рн визначають номінальну потужність Р_1ном, а потім вибирають по довідникам відповідний тип приладу. У паспортних даних на підсилювальні прилади вказані коефіцієнт підсилення по потужності К_р або потужність збудження Р_1з. Ці відомості досить, щоб розрахувати потужність передостаннього (передування вихідному) каскаду з урахуванням вимог до кола узгодження. Знижуючи потужність від каскаду до каскаду, можна орієнтування вибрати схеми і параметри всіх каскадів. Якщо потужні каскади передавача виконані на тріодах або тетродах по схемі із загальною сіткою, орієнтування можна прийняти коефіцієнт підсилення К_р =10... 13 дБ, на тетродах по схемі із загальним катодом К_р =15...18 дБ. У лампових помножувачах частоти на два і на три К_р слід зменшити відповідно в два і три рази в порівнянні із значеннями для ПП.

Рисунок 2.3 - Структурна схема  багатокаскадного імпульсного радіопередавача

Структурна схема  багатокаскадного імпульсного передавача на рис. 2.3 відрізняється від схеми  на рисунку 2.2 тим, що збудник містить  автогенератор з кварцем, що забезпечує високу стабільність частоти без  системи АПЧ. Всі каскади починаючи  з буферного працюють в імпульсному  режимі, тим самим знижуючи середній рівень потужності передавача, його масу, габаритні розміри, вартість. Імпульсний режим у вихідному і передостанньому  каскадах реалізують, подаючи на них  імпульсну високовольтну напругу  живлення.

Тривалість модулюючих імпульсів T₁ для передостаннього і буферного каскадів беруть в 5 ... 10 разів більшою, ніж для крайових каскадів . Всі каскади, що стоять за буферним, працюють в режимі довгих імпульсів щоб уникнути спотворень радіоімпульсу на виході передавача із-за перехідних процесів в тракті. Іноді для спрощення модулятора імпульсний режим забезпечують тільки у вихідному і передостанньому каскадах, а всі інші відносно малопотужні каскади ставлять в безперервний режим.

Відповідно до вихідних даних  та поставлених вимог до радіопередавального  пристрою в якості структурної схеми  обираємо схему радіопередавального  пристрою приведену на рис.2.2. Та оскільки вихідна потужність повинна становити  лише 10 Вт, то схема дещо спроститься  – рис.2.4