Прием и обработка сигналов

1. Введение

Звуковое радиовещание служит для передачи речевых и музыкальных монофонических и стереофонических программ. При приёме радиовещательных программ нужна высокая точность воспроизведения сигналов, т.к. важно правильное отображение не только смысловой информации, но и характера передачи (тембра голоса и т.д.).

Радиовещательные приёмники должны быть дешёвыми, иметь несложную схему и простое управление, поскольку они рассчитаны на массовое производство и служат для индивидуального пользования. Чувствительность их должна быть относительно малой (десятки и сотни микровольт), т.к. мощности радиовещательных передатчиков значительны.

Для радиовещательных приёмников АМ сигналов типовой схемой служит схема типа: ВЦ"УРЧ"П"УПЧ"Д"УНЧ. Однако, количество каждых каскадов определяется разработчиком, некоторые из них могут быть и вовсе исключены.

Радиовещание ведётся на ДВ (километровые волны), СВ (средние волны), КВ (короткие волны), УКВ (ультракороткие волны). В первых трёх случаях используется АМ сигнал, в последнем ЧМ сигнал.

Обычно во входной цепи (ВЦ), усилителе радиочастоты (УРЧ) и гетеродине (Г) применяют резонансные контуры с сосредоточенными постоянными и одноручечной настройкой конденсатором переменной емкости (КПЕ) с твёрдым диэлектриком, обеспечивающим наибольшее перекрытие диапазонов (отношение максимальной принимаемой частоты к минимальной). Настройка при помощи КПЕ применяется в переносных приёмниках, для уменьшения размеров приёмника. Настройка индуктивностями применяется в автомобильных приёмниках во избежание микрофонного эффекта. Для настройки контуров на ДВ, СВ и УКВ используется по одному диапазону (частоты не разбиваются на диапазоны).

Радиовещательные приёмники могут работать на ДВ, СВ и КВ от наружной антенны. На ДВ и СВ широко используют встроенные магнитные антенны.

 

2. Анализ задания и выбор направления проектирования

 

Диапазон частот от 1,5МГц до 4МГц принадлежит к КВ диапазону, поэтому разбивать его на поддиапазоны нет смысла.

Антенна является магнитной, следовательно ВЦ будет совмещённой с антенной. При оптимальном подборе параметров антенны вполне можно обеспечить требуемую чувствительность.

 

 

Для обеспечения избирательности по промежуточной частоте (ПЧ) достаточно применить на выходе УРЧ или ВЦ резонансную последовательную цепочку из LC, которая будет с запасом обеспечивать затухание по ПЧ в 40дБ. Однако её затухание можно регулировать добротностью ВЦ и самой LC цепи.

Избирательность по зеркальному каналу определяется контурами ВЦ и выходными контурами УРЧ. Избирательность по соседнему каналу обеспечивают выходные контура преобразователя частоты (П) и первого каскада УПЧ. Их вполне достаточно.

Эффективность АРУ составляет 4,5, что может быть реализовано при помощи детектора АРУ и RC цепи.

Т.к. должна использоваться АРУ и требуется достаточно большая избирательность, то буду строить приёмник с переносом частоты на промежуточную.

В целом выбор блок-схемы однозначен:

Рис.1 Предварительная структурная схема.

Т.к. на данном диапазоне ГОСТ задана стандартная промежуточная частота 465кГ, то не вижу смысла подбирать какую-либо другую. Ввиду того, что все требования задания соответствуют стандартным (определённым ГОСТ).

Верхняя частота модуляции НЧ сигнала в радиовещательных приёмниках составляет 4,5кГц, её и буду применять в расчетах.

Далее определено число тех или иных каскадов и их принципиальные схемы.

 

3. Расчет структурной схемы приёмника

 

1. Определение основных характеристик диодного детектора АМ сигнала:

Т.к.для детектора в моем задании нет жестких требований, то принимаю следующие параметры для расчета детектора:

Входное сопротивление детектора: 4кОм;    Амплитуда входа первого каскада УНЧ: 0,005В, при m=0,3; Входное сопротивление первого каскада НЧ  тракта: 700Ом; Максимальный коэффициент модуляции: 0,8; Промежуточная частота приёмника: 465кГц.

Рис.2. Для определения входного сопротивления детектора и коэффициента передач

Рис.3 Часть схемы электрической принципиальной.

Выбираю диод Д1Е, как удовлетворяющий требованиям, с характеристиками:

 

Его внутреннее сопротивление 100 Ом, а емкость . Согласно кривой 1 рис.2 требующемуся отношению соответствует отношение . Следовательно . Принимаю R30=1,8 кОм, R28=5,6 кОм. Сопротивление добавочного резистора R32 вычисляю по следующей формуле:

 

Выбираю R32=15кОм. Коэффициент передачи детектора нахожу по кривой 2. Он равен .

Коэффициент передачи детектора в моей схеме:

 

Тогда амплитуда минимального выходного напряжения тракта ПЧ:

 

Выбираю 0,6В. Такое незначительное увеличение может затем быть уменьшено ручным регулятором громкости в тракте НЧ.

 

2. Выбор полосы пропускания и систем селективности:

 

- коэффициенты  относительной нестабильности частоты  сигнала и гетеродина (табличные  данные).

Коэффициент  выбран для гетеродина без кварцевой стабилизации

- частота сигнала.

- промежуточная  частота.

 - частота гетеродина.

 – полоса  частот модулированного АМ сигнала.

- верхняя модулирующая  частота в радиовещательных приёмниках.

 

Для простоты расчетов и запаса по полосе пропускания ВЦ и УРЧ принимаю полосу пропускания 9,5кГц. Однако, в преобразователе и тракте промежуточной частоты считаю соседние каналы отстоящими друг от друга на 9кГц, и полосу пропускания фильтров тракта ПЧ тоже равной 9кГц.

Ослабление соседних каналов требуется не менее 44дБ, при расстройке . Для обеспечения этого требования в качестве нагрузки смесителя выбираю полосовой фильтр ПФ1П-0,23 со следующими характеристиками:

Средняя частота:

Полоса пропускания (при ослаблении на границе 6дБ)

Ослабление при расстройке : 40дБ

Очевидно, что один фильтр не обеспечит требуемого затухания по соседнему каналу, поэтому в каскаде УПЧ применяю систему связных контуров, которая без труда обеспечивает затухание более 10дБ. Таким образом общее затухание по соседнему каналу будет более 45дБ, что вполне удовлетворительно.

 

 

3. Выбор систем селективности ПЧ и по зеркальному каналу:
1. Выбор средств избирательности по ПЧ.

Требуется .

Для обеспечения требуемой избирательности по ПЧ в каскад УРЧ включаю LC фильтр пробку (L3C4), настроенный на ПЧ в 465кГц. АЧХ данного фильтра имеет существенный завал коэффициента передачи на резонансной частоте. Величина завала зависит от требуемого затухания, которое будет учтено при расчете.

Расчет для начала и конца диапазона:

 

 

 

 

В последующих главах будет показано, что , а .

Где-эквивалентное затухание для начало диапазона ,эквивалентное затухание для каонца диапазона .

Для начала диапазона :

 

 

 

Для конца диапазона :

 

 

Затухание по ПЧ больше требуемого, чего и следовало ожидать, т.к. контур ВЦ не настраивается на промежуточную частоту, а следовательно имеет сильное подавление данной частоты.

Т.к. таких контура будет два (по одному в ВЦ и УРЧ), то затухание следует ожидать в два раза большим в относительных единицах или большим на 6дБ в логарифмических единицах. Исходя из полученных значений можно сделать вывод, что цепочка L3С4 не нужна в схеме.

 

 

2. Выбор средств избирательности по зеркальному каналу.

Требуется .

Обеспечение избирательности по зеркальному каналу реализуется соответствующим выбором добротности, а следовательно и эквивалентного затухания входных контуров приёмника. Определение добротности с учётом затухания по зеркальному каналу рассмотрено в следующем подпункте.

Расчет для начала и конца диапазона:

 

 

 

 

В последующих главах будет показано, что , а .

Для начала диапазона :

 

 

 

Для конца диапазона :

 

 

Т.к. таких контура два (по одному в ВЦ и УРЧ), то общее ослабление по зеркальному каналу будет:

 

 

Как видно, ослабление по ПЧ и зеркальному каналу больше требуемого, поэтому дополнительных средств для ослабления этих частот не требуется.

 

4. Расчет допустимого эквивалентного затухания:

Расстройка зеркальных каналов в диапазоне принимаемых частот сравнима с максимальной резонансной частотой контуров. Поэтому для расчета допустимого эквивалентного затухания использую точную формулу обобщенной расстройки.  В моем случае число одиночных контуров в радиотракте (по одному в ВЦ и УРЧ) и заданной промежуточной частоте 465кГц, известном затухании по зеркальному каналу ( или 56,23 раза) эквивалентное затухание контуров должно удовлетворять неравенству:

(Формула 2-99,Боброов 57 стр)

Полагая минимальное значение полосы пропускания радиотракта на начальной частоте диапазона равной , что шире требуемых 9кГц, а дальше она будет только расширяться, рассчитаю эквивалентное затухание:

 

, где   табличное значение.

Подсчитанное значение эквивалентного затухания меньше 0,071, поэтому удовлетворяет необходимому подавлению зеркального канала и будет принято мною для дальнейших расчетов.

 

 

5. Определение диапазона входных напряжений преобразователя частоты:
1. Коэффициент передачи входной цепи:

В УРЧ используется ГТ308В, так как он обеспечивает лушее усиление по напряжению, со следующими параметрами:

; ; ; ; ;; ; ; ; Все параметры действительны для частоты до 4,5МГц.

; ; ; Емкости от тока коллектора зависят не сильно и в данном диапазоне можно считать их постоянными.

Ток коллектора покоя равен 2,5мА.

, коэффициент  диапазона.

Минимальная эквивалентная ёмкость ВЦ в этом диапазоне составляет примерно 40-60пФ. Принимаю её равной 50пФ. Тогда при заданном транзисторе в УРЧ для конца диапазона:

 

Для начала диапазона:

 

 

2. Определение усиления радиотракта на крайних частотах:

В УРЧ буду использовать транзистор ГТ308В с ОЭ со следующими параметрами:

; ; ; ; ;; ; ; ;.

; ; ; Емкости от тока коллектора зависят не сильно и в данном диапазоне можно считать их постоянными.

Задаю ток коллектора в точке покоя равным 2,5мА для УРЧ.

Коэффициент устойчивого усиления в конце диапазона:

 

, где  - коэффициент устойчивости.

Полагаю добротность равной ста, соответственно .

Тогда максимальный коэффициент усиления каскада (полагаю, что преобразователь выполнен на том же транзисторе ГТ308В ):

 

 

Он значительно больше устойчивого(,на который и следует рассчитывать каскад.

В транзисторном резонансном каскаде связь между коэффициентами усиления и полосами пропускания в начале и конце поддиапазона в первом приближении определяется уравнениями:

 

 

- минимально допустимое значение полосы пропускания.

(Формула (2-1) Бобров)

 (Формула (2-105) Бобров)

 ((2-106)Бобров)

Полагая

 

Где :-коэффициент диапазона ;-коэффициент устойчивого усиления для конца диапазона , - коэффициент устойчивого усиления для начало  диапазона,-полоса пропускание для конца диапазона,-полоса пропускание для начало  диапазона.

 

 

 

3. Вычисление напряжения сигнала на входе преобразователя частоты:

Действующая высота антенны зависит от следующих параметров:

 

Соответственно в начале и конце диапазона:

 

 

Из формул видно, что действующая высота антенны увеличивается с увеличением частоты. Т.к. в задании она задана 0,07м и для КВ диапазона обычно не превосходит 0,03м на частоте 408кГц, то можно утверждать, что 0,07м – действующая высота антенны в конце диапазона. Тогда, поделив обе формулы друг на друга, получаю следующую зависимость (деление можно произвести, т.к. кроме частот все остальные параметры являются постоянными величинами):