Проектирование радиовещательного передатчика с амплитудной модуляцией. Введение

Возбудители передатчиков - это достаточно сложные устройства. В их состав могут входить синтезаторы частот, блок формирования видов работ, блок переноса, буферный усилитель. На рис. 2.1 представлена обобщенная структурная схема возбудителя, включающая в себя все перечисленные блоки.

В задачу возбудителя входят формирование высокочастотного сигнала в определенном диапазоне частот, обеспечение требуемого характера перестройки частоты по рабочему диапазону, требуемой стабильности частоты колебаний, формирование различных видов работ. На практике имеет место большое разнообразие способов построения возбудителя. Существенное влияние на выбор способа построения возбудителя могут оказать требования по быстродействию переключения рабочей частоты, уровню побочных продуктов в спектре выходного сигнала, видам работ, которые формируются в возбудителе.

Рис. 2.1. Структурная схема возбудителя

Под видами работ, которые формируются в возбудителе, подразумеваются различные виды модуляции (манипуляции) высокочастотного сигнала. Их достаточно много. Прежде всего, это угловая модуляция, однополосная модуляция, амплитудная модуляция и другие. Некоторые из них являются основными, другие – вспомогательными для определенных видов радиопередатчиков. Модуляция осуществляется на фиксированных поднесущих частотах в специальном блоке, включенном в состав возбудителя, который именуется блоком формирования видов работ (БФВР). Высокочастотные сигналы, сформированные на фиксированных поднесущих, с помощью специального блока, называемого блоком переноса (БП), перемещают в рабочую область частот.

Выходным устройством возбудителя является буферный усилитель (БУ). Отличительной особенностью БУ от других типов усилителей является высокое входное сопротивление. Высокое входное сопротивление БУ обеспечивает развязку возбудителя с последующим трактом усиления ВЧ сигнала.

Главной частью возбудителя в современных передатчиках является синтезатор частоты. Синтезатор частоты формирует сетку высокостабильных частот. Сетка частот заменяет непрерывный рабочий диапазон частот дискретными частотами с шагом F, который называется шагом сетки. Шаг сетки может быть от долей Гц до десятков МГц. В некоторых системах связи УКВ диапазона за шаг сетки принята величина 25 кГц. Такой шаг позволяет на соседних частотах сетки организовать независимые каналы связи без взаимных помех друг другу (принцип частотного разделения каналов).

Любую частоту сетки можно представить в виде

где - коэффициент, который можно менять. Требуемая частота сетки устанавливается командой управления (КУ), поступающей с внешнего устройства, которая устанавливает требуемое значение коэффициента .

Кроме того, синтезатор может вырабатывать дополнительно одну или несколько фиксированных поднесущих частот для БФВР, на которых осуществляется модуляция.

Рабочая частота формируется на выходе блока переноса возбудителя. В передатчиках под блоком переноса понимают смеситель, снабженный полосовым фильтром. Смеситель - это нелинейное устройство. При поступлении на входы смесителя сигналов с разными частотами и на его выходе появляется сигнал, спектр которого содержит гармоники вида

,

где и - произвольные целые числа. Основными комбинационными частотами является частоты, когда и : - при переносе сигнала вверх и - при переносе сигнала вниз. В передатчиках чаще используется первый вариант, в приемниках - второй вариант. Рабочая частота передатчика образуется путем суммирования сигнала с частотой сетки и сигнала с одной из фиксированных частот , поступающего с БФВР:

.

Полосовой фильтр блока переноса очищает выходной сигнал от гармоник и других комбинационных спектральных составляющих. Отфильтрованный сигнал поступает на вход БУ и далее на вход усилителя мощности ВЧ сигнала.

В передатчиках систем связи относительно малой мощности чаще всего используется один вид модуляции, например угловая модуляция. При этом БФВР получается достаточно простым. Для его работы в синтезаторе формируется только одна дополнительная поднесущая частота. Ниже рассматривается именно такой случай. Однако в целом предлагаемая методика разработки возбудителя приемлема для любых передатчиков.

Разработка возбудителя заключается в выборе и расчете его отдельных составных частей.

2.1. Синтезаторы частоты

Если передатчик разрабатывается для работы в диапазоне частот, а требуемое значение нестабильности рабочей частоты находится на уровне кварцевых автогенераторов (АГ), то в возбудителе передатчика наиболее целесообразно использовать синтезатор частоты.

Основные параметры синтезаторов

1. Диапазон рабочих частот синтезатора………………...

2. Общее число частот, вырабатываемое синтезатором,…………..

3. Число дополнительных фиксированных частот

Мощность колебаний на выходе синтезатора составляет обычно доли мВт. В настоящее время формирование сетки частот в синтезаторах осуществляется двумя основными методами:

1. Методом прямого синтеза.

2. Методом обратного (косвенного) синтеза.

Метод прямого синтеза

Метод прямого синтеза базируется на формировании сетки частот за счет использования простейших арифметических операций – умножения, деления, суммирования, вычитания. По виду использованной элементной базы синтезаторы прямого метода синтеза могут быть аналоговыми, цифровыми и комбинированными.

Название : Проектирование радиопередающих устройств.

Рассмотрены вопросы проектирования радиопередающих устройств различного диапазона волн и мощностей. Дана методика расчета связных радиовещательных и телевизионных радиопередатчиков, а также радиопередатчиков радиорелейной и космической связи Изложены особенности проектирования транзисторных каскадов радиопередающих устройств и возбудителей различного диапазона частот. Книга рассчитана на студентов ВУЗов связи, а также может быть полезна для разработчиков радиотехнической аппаратуры.

Предисловие. 6
Глава 1. Введение
1.1. Общие сведения. 7
1.2. Электровакуумные приборы для радиопередающих устройств. 8
1.3. Общие рекомендации по построению структурной схемы тракта высокой частоты передатчика. 16
Список литературы. 19
Глава 2. Радиопередатчики длинных и средних волн
2.1. Типы и назначение передатчиков. 21
2.2. Основные требования к передатчикам. 22
2.3. Структурные схемы. 25
2.4. Расчет системы выходных контуров. 33
2.5. Особенности принципиальных схем выходной ступени. 36
Список литературы. 41
Глава 3. Проектирование передатчиков коротковолнового диапазона
3.1. Типы передатчиков и требования к ним. 42
3.2. Структурные схемы. 45
3.3. Выбор режима и расчет лампового резонансного усилителя. 52
3.4. Расчет условий устойчивости и коэффициента усиления по мощности резонансных каскадов. 56
3.5. Ступени широкополосного усиления. 62
3.6. Проектирование широкополосных трансформаторов KB диапазона. 70
3.7. Колебательные системы. 84
3.8. Фильтрация гармоник. 94
Список литературы. 106
Глава 4. Расчет режимов генераторов с амплитудной модуляцией
4.1. Краткие сведения об амплитудной модуляции. 109
4.2. Модуляция на управляющую сетку смещением. 110
4.3. Расчет усилителей модулированных колебаний. 113
4.4. Модуляция на пентодную сетку. 114
4.5. Анодная модуляция. 115
Список литературы. 121
Глава 5. Модуляторы связных и радиовещательных передатчиков
5.1. Модуляторы связных передатчиков. 122
5.2. Модуляторы радиовещательных передатчиков. 127
5.3. Отрицательная обратная связь в модуляторах. 140
Список литературы. 143
Глава 6. Однополосные передатчики коротковолнового диапазона
6.1. Общие сведения. 144
6.2. Структурные схемы однополосных передатчиков. 148
6.3. Групповой сигнал в тракте однополосного передатчика. 149
6.4. Порядок проектирования передатчика с ОМ. 151
6.5. Технический расчет выходного каскада. 156
6.6. Расчет промышленного КПД передатчика с ОМ. 164
Список литературы. 165
Глава 7. Проектирование оконечных каскадов транзисторных передатчиков
7.1. Введение. 167
7.2. Генераторный транзистор и его параметры. 168
7.3. Классификация транзисторных генераторов. 174
7.4. Генераторы в недонапряженном и критическом режимах. 178
7.5. Генераторы в ключевом и перенапряженном режимах. 194
7.6. Особенности проектирования промежуточных каскадов. 208
7.7. Особенности проектирования генераторов при коллекторной амплитудной модуляции. 209
7.8. Проектирование цепей связи. 212
7.9. Расчет теплового режима. 213
Список литературы. 216
Глава 8. Возбудители
8.1. Вводные замечания. 218
8.2. Выбор и обоснование функциональной схемы датчика опорных частот. 219
8.3. Формирование видов работ в возбудителе. 226
8.4. Выбор частот возбудителя. 230
Список литературы. 232
Глава 9. Проектирование и расчет колебательных систем усилителей метрового, дециметрового и сантиметрового диапазонов
9.1. Особенности конструкций усилительных приборов. 234
9.2. Принципы построения колебательных систем усилителей. 242
9.3. Колебательные системы с использованием однородных линий. 249
9.4. Колебательные системы с использованием неоднородных линий. 266
9.5. Цепи связи. 274
9.6. Цепи питания усилителя. 292
Список литературы. 294
Глава 10. Вещательные передатчики изображения диапазонов ОВЧ и УВЧ
10.1. Общие сведения. 296
10.2. Составление общей структурной схемы. 297
10.3. Построение и расчет тетрадных каскадов УМК. 310
10.4. Построение и расчет тракта широкополосного транзисторного УМК. 320
10.5. Построение и расчет тракта модулированных колебаний на промежуточной частоте. 325
Список литературы. 333
Глава 11. Передатчики ЧМ вещания и звукового сопровождения телевизионных программ
11.1. Основные технические характеристики передатчиков ЧМ вещания и звукового сопровождения. 334
11.2. Составление структурных схем передатчиков. 334
11.3. Проектирование каскадов тракта усиления ВЧ. 341
11.4. Проектирование частотных модуляторов на варикапах. 345
Список литературы. 349
Глава 12. Передатчики на клистронах для тропосферной и космической вязи и телевидения
12.1. Основные технические характеристики передатчиков тропосферных и космических линий связи. 350
12.2. Составление структурных схем. 351
12.3. Выбор типа клистрона. 353
12.4. Расчет электрических и геометрических параметров клистрона. 355
12.5. Расчет режима усилителя. 363
12.6. Поверочный расчет частотных характеристик. 369
12.7. Коэффициент усиления. Мощность возбудителя. 370
12.8. Составление принципиальной схемы клистронного усилителя. 371
12.9. Проектирование клистронных усилителей телевизионной радиостанции. 373
12.10. Расчет режимов клистронного усилителя передатчика, изображения. 377
12.11. Расчет режима клистронного усилителя передатчика звукового сопровождения. 382
12.12. Построение схемы оконечных каскадов телевизионных клистронных усилителей. 384
Список литературы. 386
Глава 13. Усилители и автогенераторы УВЧ и СВЧ на металлокерамических лампах
13.1. Вводные замечания. 387
13.2. Схемы усилителей и автогенераторов. 387
13.3. Расчет режима усилителя мощности. 389
13.4. Пример расчета режима и колебательной системы усилителя. 395
13.5. Усиление модулированных колебаний. 406
13.6. Расчет режима автогенератора. 408
Список литературы. 410
Глава 14. Передатчики радиорелейной связи
14.1. Вводные замечания. 411
14.2. Основные требования к передатчикам РРЛ с частотной модуляцией. 412
14.3. Построение структурных схем ЧМ РРЛ передатчиков. 415
14.4. Проектирование частотных модуляторов на варикапах. 419
14.5. Проектирование частотных модуляторов на отражательных клистронах. 422
14.6. Проектирование СВЧ смесителей передатчиков. 423
14.7. Расчет полосовых СВЧ фильтров. 426
Список литературы. 426
Приложение 1. 427
Приложение 2.

Электровакуумные приборы для передающих устройств .

В радиопередающих устройствах используются разнообразные электронные, полупроводниковые и ионные приборы. Ассортимент их постоянно обновляется: разрабатываются принципиально новые, совершенствуются существующие, изымаются из практики устаревшие.

Целесообразность применения ламп или транзисторов и их конкретные типы для каждого каскада определяются технико-экономическим расчетом. Общая тенденция в настоящее время такова.

В мощных каскадах передатчиков (за исключением самых длинноволновых) в основном применяются электронные радиолампы и специальные электронные приборы СВЧ. В маломощных каскадах все более широко применяются полупроводниковые приборы.
Использование в передающих устройствах маломощных генераторных и приемно-усилительных ламп оправдано только в том случае, если доказана невозможность или явная нецелесообразность использования транзисторов, полупроводниковых диодов и т. п. Например, применение приемно-усилительных ламп оказывается неизбежным в условиях высокой температуры окружающей среды, при большой разнице максимальной и минимальной температуры, при наличии проникающей радиации и т. п.

Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Проектирование радиопередающих устройств - Шахгильдян В.В. - fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.

Дипломная работа на тему:

Разработка радиопередающего устройства, работающего в режиме однополосной модуляции

ВВЕДЕНИЕ

ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ

1. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

2. РАСЧЁТ РЕЖИМА РАБОТЫ ОКОНЕЧНОГО КАСКАДА

2.1 Выбор типа транзистора

2.2 Расчёт входной цепи транзистора

2.3 Расчет коллекторной цепи оконечного каскада

3. РАСЧЕТЫ И ВЫБОР ВХОДЯЩИХ КАСКАДОВ

3.1 Расчет кварцевого автогенератора

3.2 Выбор типа балансного модулятора

3.3 Выбор и расчет фильтров

4. РАСЧЁТ ЛИНИИ СВЯЗИ

5. СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТЫ

6. РАСЧЁТ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА 2Т925В

7. ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

темой данного дипломного проекта является разработка радиопередающего устройства, работающего в режиме однополосной модуляции. Радиопередающие устройства такого типа получили широкое распространение в диапазоне частот f = 1,5 - 30,0 МГц в качестве связных, так как речевой (передаваемый) сигнал достаточно узкополосен - 300… 3400 Гц. Это обусловлено назначением такого вида передатчиков, как в энергопотреблении (мобильные радиостанции), так и особенностями данного частотного диапазона, а именно его низкой информационной ёмкостью.

Исходя из вышеуказанных обстоятельств, можно сделать вывод, что однополосная модуляция обладает рядом преимуществ перед обычной амплитудной модуляцией. К ним относятся: более узкая полоса частот радиоканала (что позволит осуществлять частотное уплотнение каналов), лучшие энергетические характеристики радиопередатчиков (повышенный КПД по сравнению с обычной амплитудной модуляцией), универсальность (использование в стационарных условиях в качестве базовых станций, а также в системах подвижных служб - сухопутной, морской, воздушной).

Недостатком такого типа модуляции является усложнённая принципиальная схема как передающего, так и приёмного тракта данного типа устройств.

Требования, которым должен удовлетворять передатчик, это, прежде всего, простота схемного исполнения (которая достигается применением современной элементной базы), что обеспечивает высокую надежность, возможности работы в широком диапазоне температур и влажности окружающей среды, простота в обращении, иногда ударостойкость, малое энергопотребление, а также низкая себестоимость.

ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Спроектировать связной радиопередатчик с однополосной модуляцией, удовлетворяющий следующим параметрам:

Максимальная выходная мощность в фидере – Р 1 max = 10 Вт;

Диапазон частот – f = 10…16 МГц;

Волновое сопротивление фидера – W ф =50 Ом;

Напряжение источника питания – Е = 220 В, 50 Гц (сеть);

Шаг сетки частот – 1 кГц;

ПВИ = - 45 дБ;

Частоты модуляции – f мод = 0,3…3 кГц;

Относительная нестабильность частоты – 3 * 10 – 5 .

В процессе проектирования необходимо выбрать и рассчитать:

– составить и обосновать структурную схему;

– сформировать требования к источнику питания, привести схемы.

Графические работы:

– часть принципиальной электрической схемы (выбирается преподавателем);

– схема размещения элементов оконечного каскада (вид сверху и сбоку).

1. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

Связные передатчики данного частотного диапазона f = 1.5…30 МГц работают, как правило, в режиме однополосной модуляции. Однополосный сигнал формируется фильтровым методом на относительно низкой частоте (f 0 = 500 кГц) и переносится с помощью преобразователей частоты в рабочий диапазон.

Структурная схема проектируемого передатчика построим таким образом, чтобы максимально снизить нелинейные искажения одновременно обеспечив заданное подавление внеполосного излучения колебаний, а также минимальное число перестраиваемых цепей в промежуточных и оконечном каскадах передатчика. Рассмотрим вариант структурной схемы (рис. 1), вполне удовлетворяющей изложенным выше требованиям.

Рис. 1. Структурная схема проектируемого передатчика.

Краткое описание предлагаемой структурной схемы и назначение блоков:

Звуковой сигнал с микрофона усиливается усилителем нижних частот (УНЧ) до необходимого уровня и попадает на балансный модулятор 1 (БМ 1), на второй вход которого поступает напряжение с частотой f0 = 500 кГц (в качестве опорной частоты f 0 используется сигнал, формируемый синтезатором частоты). Частота этого генератора выбрана с учетом амплитудно - частотной характеристики электромеханического фильтра (ЭМФ) и выбором рабочей боковой полосы (верхней). Для этой частоты промышленностью выпускаются электромеханические фильтры (ЭМФ) с крутизной характеристики затухания S = 0,1…0,15 дБ/Гц, кроме того, синтезатор частоты обеспечит заданную относительную нестабильностью частоты, так как в его составе используется кварцевый генератор. Так как полоса полезного сигнала в соответствии с ТЗ равна 300 до 3000 Гц, то можно применить ЭМФ, полоса пропускания которого равна 3 кГц. По стандартам, для однополосных передатчиков с рабочей частотой выше 7 МГц выходной сигнал должен содержать верхнюю боковую полосу (рис.2), а при рабочей частоте ниже 7 МГц - нижнюю. На выходе БМ 1 получается двухполосный сигнал с ослабленной несущей. Степень подавления несущей частоты на выходе передатчика определяется балансным модулятором и ЭМФ, а нежелательной БП  только параметрами ЭМФ. Поэтому от качества построения этого каскада зависит степень наличия в сигнале посторонних спектральных составляющих, причем в последующих каскадах невозможно изменить соотношение этих составляющих в сигнале. После прохождения сигнала через БМ 1 и ЭМФ сигнал затухает, поэтому целесообразно применить компенсационный усилитель (КУ 1), с выхода которого сигнал поступает на БМ2.

На второй вход БМ 2 поступает сигнал вспомогательной частоты f 1 = 20 МГц, которая, аналогично f 0, формируется синтезатором. Частота f 1 выбирается выше верхней рабочей частоты передатчика – f B . При таком выборе комбинационная частота на выходе БМ 2, равная f 1 + f 0 также будет выше верхней частоты рабочего диапазона передатчика. Следовательно, колебания вспомогательного генератора f 1 и продукты преобразования первого порядка с частотами f 1 + f 0 , если они попадут на вход усилителя мощности, не создадут помех в рабочем диапазоне проектируемого передатчика. Относительная расстройка между комбинационными частотами на выходе БМ 2, как правило, не велика, поэтому селекция нужной комбинационной частоты должна осуществляться пьезокерамическим фильтром (ПФ) или фильтром на поверхностных акустических волнах, обладающие достаточно высокой избирательностью. Полоса пропускания этого фильтра должна быть не меньше полосы передаваемого сигнала. После прохождения сигнала через БМ 2 и ПФ сигнал также ослабляется, поэтому здесь тоже целесообразно применить компенсирующий усилитель (КУ 2), после которого сигнал поступает на БМ3.

Однополосный сигнал с выхода КУ 2 в балансном модуляторе БМ3 смешивается с частотой f 2 . Источником этих колебаний служит синтезатор сетки дискретных частот, генерирующий сетку в заданном диапазоне с заданным шагом. Частота f 2 выбирается выше f 1 , то есть выше рабочего диапазона. Частоты рабочего диапазона получаются на выходе БМ3 в зависимости от значения f 2 . Они равны разности частот f 2 и промежуточных частот преобразований на выходе полосового фильтра f = f 2 - f 1 - f 0 . Таким образом, можно определить требуемый диапазон сетки f 2 .

Верхнее значение: f 2 = f в + f 1 + f 0 = 16 + 20 + 0,5 = 36,5 Мгц

Нижнее значение: f 2 = f н + f 1 + f 0 = 10 + 20 + 0,5 = 30,5 Мгц

Эти частоты выделяются фильтром нижних частот (ФНЧ), который должен охватывать весь рабочий диапазон. Частота среза ФНЧ должна быть не менее верхней рабочей частоты диапазона.

Однополосный сигнал формируется на малом уровне мощности 1 - 5 мВт. До заданного уровня на выходе передатчика он доводится линейным широкополосным усилителем мощности, число каскадов в котором определяется величиной сквозного коэффициента усиления:

К Р = Р 1 / Р ВХ = 11,2 / 0,005 = 2240,

где Р 1 - мощность в коллекторной цепи оконечного каскада передатчика,

Р ВХ - мощность однополосного сигнала на выходе ФНЧ.

В результате усиления ШПУ получается уже достаточно сильный сигнал, поступающий на вход оконечного каскада (ОК), который определяет номинальную заданную мощность в передающем тракте, определяет КПД устройства, кроме того, цепь связи (ЦС), включенная последовательно с ОК определяет уровень внеполосных излучений. Определим количество каскадов усиления (ШПУ) для получения номинальной заданной мощности исходя из величины сквозного коэффициента усиления:

Примем коэффициент усиления по мощности одного каскада равный 8, тогда число каскадов ШПУ можно определить, разделив К Р на величину коэффициента усиления одного каскада.

Усиление сигнала по мощности на величину, не менее 4,375 будет производиться в оконечном каскаде.

Подобные документы

Разработка радиопередатчика для радиовещания на ультракоротких волнах (УКВ) с частотной модуляцией (ЧМ). Подбор передатчика-прототипа. Расчет структурной схемы. Электрический расчет нагрузочной системы передатчика, режима предоконечного каскада на ЭВМ.

курсовая работа, добавлен 12.10.2014


Проектирование связного радиопередающего устройства с частотной модуляцией (ЧМ). Структурные схемы передатчика с прямой и косвенной ЧМ. Расчет оконечного каскада, коллекторной и входной цепей. Расчет цепи согласования оконечного каскада с нагрузкой.

курсовая работа, добавлен 21.07.2010


Обоснование функциональной схемы передатчика. Расчет и определение транзистора для оконечной ступени передатчика. Расчет оконечного каскада, входного сопротивления антенны, цепи согласования. Определение коллекторной цепи генератора в критическом режиме.

курсовая работа, добавлен 14.04.2011


Характеристика и предназначение радиовещательного приемника сигналов с амплитудной модуляцией, структурная схема. Особенности настройки приемника, использование варикапов. Способы расчета напряжения шума приемника. Анализ расчет детектора радиосигналов.

курсовая работа, добавлен 21.04.2012


Обоснование структурной схемы. Электрический расчет. Выбор усилительного полупроводникового прибора. Расчет выходного фильтра. Выбор стандартных номиналов. Электрическая схема оконечного мощного каскада связного передатчика с частотной модуляцией.

курсовая работа, добавлен 14.11.2008


Каналы утечки речевой информации. Методы формирования и преобразования сигналов. Характеристика радиомикрофона с амплитудной модуляцией. Признаки и классификация закладных устройств. Сущность и принцип действия амплитудной модуляции гармонической несущей.

реферат, добавлен 21.01.2013


Разработка структурной схемы передатчика с базовой модуляцией, числа каскадов усиления мощности, оконечного каскада, входной цепи транзистора, кварцевого автогенератора, эмиттерного повторителя. Эквивалентное входное сопротивление и емкость транзистора.

курсовая работа, добавлен 17.07.2010


Выбор способа получения частотной модуляцией. Расчет транзисторного автогенератора на основе трехточки. Выбор структурной схемы возбудителя. Электрический расчет режимов каскадов тракта передатчика. Проектирование широкодиапазонной выходной цепи связи.

курсовая работа, добавлен 29.03.2014


Расчет цепей смещения и питания транзистора. Выбор радиодеталей для цепей связи, фильтрации, питания для схемы оконечного каскада. Расчет принципиальной схемы передатчика. Электрический расчет генератора, управляемого напряжением с частотной модуляцией.

курсовая работа, добавлен 04.11.2014


Cвязной передатчик с частотной модуляцией. Структурная схема передатчика. Расчет коллекторной и базовой цепи. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока. Коэффициент ослабления тока базы. Максимальное значение напряжение на эмиттерном переходе.

Передатчик с амплитудной модуляцией

Простейшая схема передатчика с амплитудной модуляцией несущего коле­бания (рис. 8.1) содержит возбудитель, каскады умножения частоты (УЧ), уси­ления мощности (УМ), усилитель низкой частоты (УНЧ), на который подается передаваемый сигнал u вх) и амплитудный модулятор (AM).

Рис. 8.1. Структурная схема передатчика с амплитудной модуляцией

Возбудитель представляет собой маломощный задающий автогенератор, стабилизированный кварцевым резонатором. Малая мощность задающего ав­тогенератора позволяет использовать при его разработке более высокочас­тотные полупроводниковые приборы, обладающие меньшей инерционно­стью, обеспечивает облегченный тепловой режим работы усилительного при­бора и кварцевого резонатора, что повышает стабильность частоты. Кварце­вые автогенераторы пока работают на сравнительно невысоких (до сотен МГц на гармониках кварца) частотах. Поэтому после задающего генератора включают каскады умножителей частоты, которые повышают частоту коле­баний до величины несущей. Часто в умножителях частоты осуществляется еще и увеличение мощности колебаний. Для создания требуемой мощности на выходе передатчика в схеме применяются усилители мощности. Как пра­вило, усилители мощности радиосигнала включены между каскадами умно­жителей частоты, и весь такой тракт называют усилительно-умножительной цепочкой. Выходной усилитель мощности передатчика нагружен на фидер (волновод, кабель и т. п.), соединенный с антенной.

Амплитудная модуляция осуществляется обычно в выходном усилителе мощности. Часто такой усилитель мощности является оконечным каскадом передатчика.

Литература: В.И. Нефедов, “Основы радиоэлектроники и связи”, Издательство «Высшая школа», Москва, 2002.

ПЕРЕДАТЧИКИ С АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

6.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Как известно, в соответствии с ГОСТом на термины в радиосвязи модуляцией называется процесс изменения одного или нескольких пара­метров несущего радиочастотного колебания в соответствии с измене­нием параметров передаваемого (модулирующего) сигнала. Несущая или несущее колебание - электрическое или электромагнитное колеба­ние, предназначенное для образования радиочастотного сигнала с по­мощью модуляции. Модулирующий сигнал содержит в себе подлежа­щую передаче информацию. В случае амплитудной модуляции (AM) изменяемым (модулируемым) параметром гармонической несущей яв­ляется амплитуда колебаний I =I (t ), изменяющаяся пропорционально подлежащему передаче сигналу U Ω (t ); в результате модуляции получа­ется сложное негармоническое колебание.

В настоящее время основными областями применения AM являются: звуковое радиовещание на «длинных», «средних» и «коротких» волнах (диапазоны частот НЧ, СЧ и ВЧ) и телевизионное вещание в метровом и дециметровом диапазонах (ОВЧ и УВЧ) - передатчики изображения (см. табл. 1.1). Для целей радиосвязи AM применяется в авиации в диапазонах 118... 136 МГц (ближняя радиосвязь). В отечественной прак­тике AM применяется также в трехпрограммном проводном вещании.

Наметилась тенденция постепенного перехода в радиовещании от AM к однополосной (см. гл. 7). В первую очередь на систему однопо­лосной модуляции (ОМ) планируется перевести вещание в диапазоне ВЧ. Прорабатывается применение варианта ОМ, совместимого с ис­пользуемой в настоящее время и сохраняющейся на ближайшее будущее AM .

Для создания информационных и художественных программ звуко­вого радиовещания существуют специальные предприятия - радиове­щательные студии, радиодома. Студии центрального вещания расположены в Москве. Во многих крупных городах есть студии мест­ного радиовещания .

Подлежащее передаче сообщение в форме человеческой речи, музы­ки и т. п. с помощью микрофона преобразуется в электрический сигнал со сложным спектром в области тональных (звуковых) частот. Этот сигнал по специальным каналам электросвязи (кабельным, радиорелей­ным или др.) передается на радиовещательные передатчики, распола­гающиеся обычно за городом на так называемых радиопередающих центрах (станциях).

Звуковой сигнал характеризуется шириной занимаемой полосы час­тот (Ω min …Ω max) и интенсивностью (напряжением U Ω). В соответствии с передаваемой речью, музыкой или их сочетанием меняются составляю­щие спектра и их величины; звуковой сигнал вещания является случай­ным процессом . Для передатчика этот сигнал является модулирующим.

Распределение мощности сигнала в полосе звуковых частот характе­ризуется спектральной плотностью S (Ω) [или S (F )]. На рис. 6.1 показа­на спектральная плотность русской речи, отнесенная к максимальной спектральной плотности, наблюдающейся на частоте вблизи F = 300 Гц. Как видно, спектральная плотность весьма неравномерна. Весь спектр акустических колебаний, воспринимаемый человеческим ухом, занима­ет широкую полосу частот - примерно 20...20 000 Гц; максимум чувст­вительности уха около 1000 Гц. Наиболее «мощные» спектральные составляющие человеческого голоса сосредоточены в узкой полосе 200...600 Гц.

Для обеспечения разборчивого восприятия речи при радиотелефон­ной связи (так называемая коммерческая радиотелефония) достаточно равномерно пропускать через передатчик полосу модулирующих частот 300...3400 Гц (в некоторых случаях 300...3000 или др.) с допустимой неравномерностью в этой полосе примерно ±(2...3) дБ. Для обеспечения эстетического восприятия в радиовещании необходимо с заданной до­пустимой неравномерностью передавать существенно более широкую полосу частот: для высшего класса (MB ЧМ вещание, см. гл. 8) 30... 15 000 Гц, для первого класса (звуковое сопровождение телевиде­ния) 50...10 000 Гц, для второго класса (вещание с AM на длинных, средних и коротких волнах) 100...6300 Гц при допустимой неравномер­ности около ±(0,7... 1,5) дБ. Требова­ния к показателям качества передат­чика того или иного назначения приводятся в соответствующих ГОСТах .

Рис. 6.1. Спектр речевого сигнала

Большинство подлежащих пере­даче по радиоканалам сигналов u (t ) (речевой, музыкальный и т. п.) име­ют среднее значение u 0 = 0. Исклю­чение составляет телевизионный сигнал изображения, содержащий в себе информацию о средней освещенности передаваемого изображения (подробнее см. гл. 9).

Стандарты предусматривают определенные энергетические и каче­ственные показатели (параметры качества) передатчиков, измеряемые при подаче испытательных сигналов в форме гармонических звуковых сигналов. Анализ режима работы каскада передатчика при модуляции в первом приближении также лучше (нагляднее) провести в предполо­жении гармонического модулирующего сигнала. Поэтому в дальней­шем основные соотношения для AM определим при гармоническом (косинусоидальном) модулирующем сигнале

. (6.3)

В ряде случаев учтем также статистику реального звукового сигнала.

При амплитудной модуляции, т. е. при воздействии модулирующего (звукового) напряжения вида (6.3) на анодный ток ГВВ, составляющие спектра тока вблизи первой гармоники изменяются по закону

На рис. 6.2 показано модулированное колебание вида (6.4). Огибаю­щая модулированного колебания воспроизводит форму напряжения звуковой частоты. Колебание (6.4) может быть представлено как сумма трех синусоидальных колебаний:

. (6.5)

Рис 6.2. Временная диаграмма AM сигнала

Рис. 6.3. Спектр AM колебания при модуляции одним (а) и

тремя (б ) гармоническими колебаниями

Рис. 6.4. Векторная диаграм­ма AM колебания при

моду­ляции одним гармоническим колебанием

Средняя мощность амплитудно-модулированного колебания обыч­но определяется для среднестатистических значений коэффициентов модуляции:

где m ср − среднее значение коэффициента модуляции на длительное время.

Для получения большей дальности связи и (или) улучшения отноше­ния сигнал/шум в месте приема необходимо увеличивать мощность боковых составляющих AM колебания. Следовательно, нужно стре­миться к большей глубине модуляции т → m max → 1, т. е. токи антенны I А и анодной цепи I а1 лампы (транзистора) должны линейно меняться от некоторого максимума до нуля. Учитывая, что
, имеем
.

Передатчики с AM проектируются как т тах = 1. Полагая р = 3,5...4, получаем т ср = 0,35...0,4. Это означает, что доля боковых полос при модуляции составляет 1,5...2,2 % Р 1 max и номинальная мощность ламп (или транзисторов) используется крайне незначительно. Информация содержится именно в боковых полосах. Следовательно, важная энерге­тическая особенность AM (независимо от способа реализации) состоит в следующем: для передачи сравнительно малой мощности бо­ковых полос требуется пиковая мощность передатчика Р 1 max . И это несмотря на то, что пиковые значения модулирующего сигнала появля­ются сравнительно редко. При высокохудожественной передаче предъ­являют очень жесткие требования к нелинейным искажениям, и поэтому приходится мириться с плохим использованием ламп.

При передаче речевых сигналов на вход модуляционного устройства передатчика подаются ограниченные по амплитуде звуковые сигналы; допустимый уровень искажений достигается использованием сложных устройств ограничения . Степень ограничения обычно не превосхо­дит 12 дБ: C огр = 20·log(U m /U огр) ≤ 12 дБ, где U огр - напряжение, соответ­ствующее началу ограничения; U m - амплитудное значение напряже­ния, подаваемого на ограничитель. Этим достигается уменьшение пик-фактора (так как возрастает среднее значение сигнала), увеличение громкости, а следовательно, и мощности боковых полос. Такая модуля­ция называется трапецеидальной, ибо форма огибающей сходна с трапе­цией (рис. 6.5). Средний коэффициент модуляции получается равным 0,7...0,8. Однако увеличение степени ограничения более чем на 12 дБ нежелательно из-за роста искажений.

Рис. 6.5. Временная диаграмма при мо­дуляции

реальным сигналом с учетом ограничения

Существует много различных методов получения AM. В подавляю­щем большинстве модуляция достигается изменением (модуляцией) на­пряжения на каком-то электроде лампы или транзистора; иногда одновременно меняются два или три напряжения - так называемая комбинированная модуляция. Зависимость режима ГВВ от питающих напряжений изложена в § 2.12.

Рис. 6.6. График зависимости коэффициента глубины амп­литудной

модуляции и коэф­фициента нелинейных искажений от напряжения

гармонического модулирую­щего сигнала

Судить о пригодности генератора для AM можно по его так называ­емым статическим модуляционным характеристикам (СМХ), т. е. по зависимости I а1 , I а0 , I А, Р 1 , Р 0 , η от какого-то одного питающего напря­жения Е а, Е с, Е с1 , U c при простой AM или от совместного одновремен­ного изменения двух или трех напряжений при комбинированной AM. Статическими эти характеристики называются потому, что они снима­ются за счет изменения постоянного напряжения (или Е а, или Е с1 ,) или за счет изменения амплитуды напряжения возбуждения ГВВ U с; моду­лирующее напряжение звуковой частоты при этом отсутствует: U Ω = 0.

Статическая модуляционная характеристика каскада ГВВ с AM не учитывает зависимости его качественных и энергетических показателей от нелинейности входного сопротивления модулируемого ГВВ и часто­ты модулирующего сигнала Ω. Для выявления этих важных зависимос­тей исследуется динамическая модуляционная характеристика модули­руемого ГВВ, т. е. зависимость коэффициента глубины амплитудной модуляции и других показателей режима от амплитуды модулирующего (звукового) напряжения U Ω . Измерения проводятся на частотах, пред­усмотренных ГОСТом; в простейших случаях это либо 400, либо 1000 Гц. С помощью специальных измерительных (или грубо по осциллографу) измеряется глубина модуляции для положительного и отрица­тельного полупериодов огибающей AM колебания:

и
,

где ; (см. рис. 6.2 и 6.6). Совпадение этих зависимостей (
) и их линейность говорят о симметричности модуляции и малых нелинейных искажениях, харак­теризуемых коэффициентом гармоник .

Для радиовещательного передатчика с AM по ГОСТу в полосе час­тот 100...4000 Гц и при глубине модуляции т ≈ 50 % коэффициент гармоник K г ≤ 1 %, а при т = 90 % K г ≤ 2 %.

Полоса модулирующих частот Ω min … Ω max и допустимая неравномер­ность модуляции т = f (Ω) при U Ω = 0,5·U а. max = const характеризуют амплитудно-частотную характеристику передатчика (АЧХ), иначе го­воря - частотные искажения (рис. 6.7).

В соответствии с международным «Регламентом радиосвязи» (М.: Радио и связь, 1985) AM для целей звукового радиовещания или для радиотелефонной связи имеет условное обозначение АЗЕ (устаревшее и отмененное обозначение A3).

Модулятором (модулируемым каскадом) радиопередатчика называ­ется устройство (каскад), в котором осуществляется процесс модуля­ции (ГОСТ 24375-80). Это каскад усиления радиочастоты (см. рис. 1.2) между возбудителем и выходом передатчика (антенной), т. е. либо вы­ходной (оконечный), либо какой-то промежуточный каскад.

Модулирующее (звуковое) напряжение (сигнал) поступает на пере­датчик от источника информации, например от микрофона в радиове­щательной студии. Для обеспечения работы модулятора, как правило, необходимо предварительное усиление модулирующего сигнала. В передатчике для этого предусматривается тракт усиления звуковой час­тоты (модуляционное устройство), выходной каскад которого условно назовем мощным усилителем звуковой частоты (МУЗЧ) - модулирую­щим каскадом. Структурные схемы передатчиков с AM показаны на рис. 6.8.

Рис. 6.7. Амплитудно-частотная характеристика

Рис. 6.8. Структурные схемы пере­датчиков с амплитудной

модуля­цией в выходном каскаде (а ), промежуточном каскаде (б )

и при использовании сложения мощнос­тей (в )

Как уже говорилось в гл. 1, электромагнитная совместимость (ЭМС) является важнейшим условием, предъявляемым к современным радио­электронным устройствам и к радиопередатчикам в том числе.

Наряду с допустимыми нестабильностью рабочей частоты, уровнем побочных и шумового излучений к передатчику предъявляется требова­ние допустимого уровня внеполосного излучения.

Спектр частот излучения передатчика на присвоенной (рабочей) час­тоте, образовавшийся в процессе модуляции (манипуляции), состоит из основного и внеполосного излучений.

Рис. 6.9. Шаблон требований к уровню подавления

внеполосных излучений передатчика

Основное излучение содержит полезную информацию и занимает так называемую необходимую ширину полосы, т. е. полосу частот, достаточ­ную для данного класса излучения (вида модуляции, назначения), для обеспечения передачи сообщений с необходимыми скоростью и качест­вом при определенных условиях .

Внеполосным называется излучение передатчика на частотах, непо­средственно примыкающих к необходимой ширине полосы частот и являющихся результатом процесса модуляции. (Регламент радиосвязи, ГОСТ «Совместимость радиоэлектронных средств электромагнитная. Термины и определения».) Внеполосное излучение не требуется для работы данного передатчика и создает помехи для систем связи, рабо­тающих на частотах, непосредственно примыкающих к необходимой полосе частот данного передатчика.

Внеполосные излучения возникают при модуляции передатчика из­лишне широким спектром, за счет высших гармоник модулирующего сигнала, возникающих как при усилении модулирующего сигнала, так и в процессе модуляции, перемодуляции и т.д.

Внеполосные излучения возникают также при квантовании переда­ваемого сигнала, например, в усилителях класса D (см. § 6.8).

В радиовещании с AM при номинальном диапазоне модулирующих частот 50... 10 000 Гц достаточная степень подавления внеполосных из­лучений обеспечивается:

ограничением спектра звуковых частот на выходе модуляционного устройства (на выходе МУЗЧ) специальными ограничителями верхних частот, иначе говоря, фильтрами нижних частот;

небольшим допустимым уровнем нелинейных искажений передатчи­ка, т. е. высокой линейностью модуляции и модуляционного устройства (см. § 6.2 и 6.3).

В ГОСТ допустимый уровень внеполосных излучений устанавлива­ется указанием минимально необходимого подавления уровня излуче­ния на краях определенной полосы частот (рис. 6.9):

подавление внеполосного излучения на 40 дБ по сравнению с мощ­ностью несущей на границах полосы 27 кГц, т. е. при отклонении от несущей частоты на ±13,5 кГц;

подавление на 45 дБ на границах полосы шириной 28 кГц (± 14 кГц);

подавление на 50 дБ для полосы 38 кГц;

подавление на 60 дБ для полосы 66 кГц.

В ламповых и транзисторных ГВВ возможны следующие способы получения AM:

на входной электрод (сетку, базу) с помощью изменения напряжений смещения (E c , E б) или возбуждения (U c , U б);

на выходной электрод (анод, коллектор) изменением питающего на­пряжения (Е а, Е к);

комбинированные способы.

Литература: В. В. Шахгильдян, “Радиопередающие устройства”, Издательство «Радио и связь», Москва, 2003.