Проектирование канала технологической железнодорожной радиосвязи аналогового типа с частотной модуляцией

УДК 621.396

 

РЕФЕРАТ

Курсовой проект содержит 34 страниц печатного текста, 10 иллюстраций, таблицу, 1 использованный источник.

 

РАДИОСВЯЗЬ

ПРИЕМНИК

АВТОГЕНЕРАТОР

СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТЫ

УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ

Y - ПАРАМЕТРЫ

ЦЕПЬ СОГЛАСОВАНИЯ

МИКРОСХЕМА

ТРАНЗИСТОР

 

  В данной курсовой работе производится проектирование канала технологической железнодорожной радиосвязи аналогового типа с частотной модуляцией, которая широко применяется на железнодорожном транспорте.

 

 

Содержание

Введение……………………………………………………………………………………..4

Исходные данные…………………………………………………………………………....5

1 Структурная схема канала радиосвязи…………………………………………………..6

2 Функциональная схема передающей  части канала радиосвязи………………………..6

3 Функциональная схема приемной  части радиоканала………………………………….9

4 Расчет параметров передающей  части радиоканала……………………………………11

5 Расчет усилителя мощности………………………………………………………………12

   5.1 Расчет  оконечного каскада……………………………………………………………12

   5.2 Расчет  предоконечного каскада………………………………………………………16

6 Расчет  буферного усилителя радиочастоты……………………………………………..19

   6.1 Расчет  режима термостабилизации…………………………………………………..20

   6.2 Расчет  Y – параметров для каскодного включения транзисторов…………………22

   6.3 Расчет режима усиления буферного усилителя……………………………………..22

7 Расчет  режима автогенератора…………………………………………………………...24

   7.1 Расчет  режима по постоянному току………………………………………………...25

   7.2 Энергетический  расчет автогенератора……………………………………………...26

   7.3 Расчет колебательного  контура………………………………………………………29

   7.4 Расчет режима частотной  модуляции………………………………………………..31

Заключение…………………………………………………………………………………..33

Список использованной литературы……………………………………………………….34 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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.

Системы радиосвязи на железнодорожном  транспорте делятся на: поездные, станционные, ремонтно-оперативные, индивидуальные по специально выделенным каналам и др. Железнодорожная радиосвязь осуществляется в нескольких диапазонах радиоволн: гектометровые волны КВ (f₀ = 2,13 МГц), метровые волны УКВ₁ (f₀ = 151,725 – 156 МГц) и дециметровые – УКВ₂ (f₁ = 457,4 – 458,45 МГц и f₂ = 467,4 – 468,45 МГц). Наибольшее использование в поездной и станционной радиосвязи получил диапазон метровых радиоволн, поэтому парк радиостанций этого диапазона самый обширный. Задачей учебного курсового проектирования является разработка канала радиосвязи метрового диапазона, включающего в себя передающую и приемную части.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исходные данные

 

Исходные параметры задания:

а) рабочие частоты возбудителя  и первого гетеродина:

f_В = 155,625 + 0,025 ∙ (n – 1), Мгц;

f_Г1 = 177,025 + 0,025 ∙ (n – 1), МГц;

где n – номер фамилии по групповому журналу;

n = 3;

f_В= 155,875 Мгц;

f_Г1= 177,825 МГц;

б) выходная мощность передающего  устройства на нагрузке  50 Ом составляет:

 Р_ВЫХ = (15 – к), Вт.

Здесь  к  –  номер группы: гр.Е – 6.

      Р_ВЫХ = 15 – 6 = 9 Вт.

При этом коэффициент  усиления постоянного тока в оконечном и в предоконечных  каскадах, выполненных  на транзисторах  КТ909А,  КТ907А  и  КТ606, определяется по формуле:

β₀ = 40 + n,

где   n – номер фамилии;

     β₀ = 20 + 8 = 28

 

г) чувствительность приёмного устройства по системе  СИНАД  12 дБ составляет при входном сопротивлении приёмника  50 Ом  U_ВХ.МИН = 0,5 мкВ, при этом все каскады усиления и преобразования рекомендуется выполнить на транзисторах  ГТ311Е, которые имеют коэффициенты усиления по постоянному току:

β₀ = 40 + n,  

где   n – номер фамилии;

        β₀ = 40 + 8 = 48;  

д) параметры девиации частоты модулятора:

                             Δf_НОМ = 3,5 кГц;   Δf_МАКС =4кГц;

е) избирательность приемника:

1) по зеркальному каналу  Se _З.К. = 60 дБ;

2) по соседнему каналу  Se _С.К. = 50 дБ;

ж) стабильность частоты генераторов  возбудителя и гетеродинов 

                             δf = 10∙10 ^–6;

з) коэффициент нелинейных искажений  сигналов в радиоканале составляет  К_Г ≤ 0,08 (8 %);

и) материальная база разработки: транзисторы, микросхемы;

к) номиналы напряжений питания: +25, +15, +12, +9, +5 В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Структурная схема канала радиосвязи

 

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.

 

 

     2  Функциональная схема передающей части канала радиосвязи

 

Для 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 каскодной 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.

 

Рисунок 2 - Функциональная схема передающей части канала радиосвязи

 

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 (F_МИН = 300 Гц) спектра НЧ сигнала. При этом  ФАПЧ работает на частотах  ΔF<< 300 Гц и не реагирует на сравнительно быстрые изменения частоты при её девиации, что делает возможным одновременное сосуществование частотной модуляции и автоподстройки частоты генератора.

Особое место в схеме передающего  тракта занимает модулятор, который

выполняет следующие функции:

а) обеспечивает номинальную девиацию частоты  Δf_НОМ;

б) ограничивает максимальное значение девиации частоты  Δf_МАКС;

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.

Приведём параметры стандартного модулятора:

а) чувствительность модуляционного входа модулятора при R_ВХ= 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   ± ¹_2,5 дБ;

в) уровень паразитной амплитудной  модуляции не более  3 %.

 

 

3 Выбор функциональной схемы приемной части радиоканала

 

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 [4]. В качестве опорной частоты f₀ = 10 МГц используется частота опорного генератора ОГ  "Топаз – 03",  имеющего относительную нестабильность  δf ≤ 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", "Синхронизация².  В приемном синтезаторе также предусмотрена  схема контроля (выв.4), формирующая сигнал исправности синтезатора при наличии  захвата в кольце  ФАПЧ.