Разработка функциональных узлов цифровой системы передачи

1) Изучена структурная схема построения цифрового передатчика и цифрового приемника.

2) Рассмотрены методы формирования синфазного и квадратурного сигналов из входного цифрового потока на примере КАМ 16.

3) Определен способ восстановления спектральной составляющей на несущей частоте на приемной стороне (схема Костаса)

4) Рассмотрены принципы переноса спектров сигналов в заданный частотный диапазон.

5) Произведен предварительный расчет требуемых значений коэффициентов передачи устройств РПдУ

6) Произведен выбор рабочей частоты цифрового передатчика и промежуточной частоты радиоприемного устройства:

- рабочая частота цифрового передатчика: 14 ГГц;

- промежуточная частота радиоприемного устройства: 70 МГц;

-диапазоны частот выходного сигнала передатчика и побочных излучений не перекрываются, а значит для подавления побочных излучений в полосе частот (13,72-14,28) ГГц нас устроит двухконтурный неперестраиваемый полосовой фильтр. Однако следует учитывать, что увеличение частоты передатчика приводит к увеличению погрешностей установления амплитуд и разности фаз квадратурных составляющих в цифровом передатчике, что ухудшает работу ЦСП. Если частота цифрового передатчика < 320 МГц, то для необходимого подавления побочных излучений необходимо использовать узкополосный перестраиваемый фильтр;

- уровень ослабления побочного канала РПдУ: А=41 дБ. (рассчитанный уровень ослабления побочного канала РПдУ удовлетворяет исходному условию, по которому данный уровень должен быть более 40 дБ).

3. Разработка функциональной схемы цифрового синтезатора частот

3.1 Структурная схема синтезатора частот

В цифровых синтезаторах частоты используется принцип обратной связи. Такой метод, известен под названием фазовой синхронизации. Анализ систем косвенного синтеза основывается на рассмотрении устойчивости и области захвата частоты петли ФАПЧ вместо исследования побочных составляющих выходного колебания. При использовании этого метода широко применяются ГУН, программируемые делители частоты и фазовые дискриминаторы.

Цифровой синтезатор частоты представляет собой систему ФАПЧ (фазовая автоподстройка частоты) (рис. 3.1).

Рисунок 3.1 - Структурная схема цифрового синтезатора частоты приемопередатчик модулятор цифровой сигнал частота

3.2 Расчет коэффициентов деления

Поскольку частота опорного кварцевого генератора (ОКГ) лежит в диапазоне 5-15 МГц, положим частоту ОКГ, равной 10 МГц (fокг =10 МГц). Делитель частоты (ДЧ) уменьшает частоту ОКГ до частоты сравнения, которую выберем равной 1 МГц (fдч =1 МГц). В этом случае коэффициент деления делителя частоты равен:

 (3.1)

Частота сравнения ОКГ поступает на один из входов фазового детектора, который выполняет математическую операцию перемножения входных сигналов. На второй вход фазового детектора через делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД) поступает сигнал от генератора, управляемого напряжением (ГУН). Поскольку нам необходимо обеспечить частоту выходного сигнала fвых =14 ГГц, то в этом случае значение коэффициента деления делителя с переменным коэффициентом деления равно:

(3.2)

Если предположить, что частота ГУН отличается от заданного значения fвых на величину ошибки Дf,то частота на выходе ДПКД будет равна:

Fдпкд = (3.3)

В этом случае на входы фазового детектора поступают колебания двух различных частот: fдч - с делителя частоты и - с ДПКД.

Фазовый детектор выполняет математическую операцию перемножения входных сигналов. В результате перемножения на выходе фазового детектора формируется сигнал суммарной и разностной частоты:

Uс = (3.4)

и сигнал ошибки:

Uош= (3.5)

Поскольку верхняя частота полосы пропускания фильтра нижних частот значительно меньше fдч на выходе ФНЧ выделяется только сигнал ошибки. Этот сигнал усиливается и поступает на управляющий вход ГУН, изменяя частоту ГУН таким образом, чтобы сигнал ошибки был равен нулю. В этом случае частота выходного сигнала ДПКД равна fдч. В стационарном режиме частота ГУН всегда равна:

Fгун = fдч·К = 14·1·109 = 14·109 (3.6)

Если значение Кдпкд увеличить на 1,то выходная частота станет равной:

Fвых1 = fдч · (К дпкд +1) = Fгун + fдч =14,001· 109 (3.7)

Видно, что изменение коэффициента деления ДПКД на целое число единиц приводит к изменению частоты выходного сигнала ГУН на величину fдч. Это означает, что частота выходного сигнала синтезатора частоты может принимать только дискретные значения, кратные частоте сравнения (говорят, что на выходе формируется сетка частот с шагом fдч).

Выходной сигнал цифрового синтезатора частоты имеет некоторую паразитную частотную модуляцию, обусловленную наличием в спектре реального фазового детектора спектральных составляющих fдч, 2fдч и т.д. Наиболее опасной является спектральная составляющая fдч, так как для нее коэффициент передачи ФНЧ больше, чем для составляющих 2fдч, 3 fдч и т.д. С выхода ФНЧ спектральная составляющая fдч, поступает на управляющий вход ГУН, что приводит к частотной модуляции выходного сигнала ГУН синусоидальным напряжением с частотой fдч,.

Наличие частотной модуляции приводит к появлению в спектре выходного сигнала ГУН спектральных составляющих (fвых fдч), что недопустимо, так как частоты (fвых fдч) отведены для работы других радиопередающих средств. В соответствии с требованиями стандартов, уровень побочных излучений не должен превышать -70дБ …-80дБ, т.е. составлять от мощности ГУН частоты fвых. Для обеспечения такого малого уровня побочных излучений в спектре выходного сигнала ГУН необходимо использовать фазовые детекторы с малым уровнем спектральных составляющих fдч, и значительное ослабление, вносимое ФНЧ на частоте fдч. При этом к полосе пропускания ФНЧ предъявляются противоречивые требования: увеличение полосы пропускания приводит к уменьшению времен перестройки частоты выходного сигнала, но при этом увеличивается значение коэффициента передачи ФНЧ на частоте сравнения, что приводит к увеличению уровня побочных составляющих в спектре выходного сигнала. Уменьшение коэффициента передачи на частоте fдч, может быть обеспечено применением фильтров более высокого порядка. Однако, ФНЧ более высокого порядка, обеспечивая меньшее значение коэффициента передачи на частоте fдч., вносит больший фазовый сдвиг. Максимальный фазовый сдвиг ФНЧ второго порядка составляет 180°, ФНЧ третьего порядка - 270° и т.д. Это приводит к тому, что обратная отрицательная связь, реализуемая в схеме ФАПЧ в области нижних частот, может превратиться в положительную обратную связь и при выполнении условия баланса амплитуд в петле ФАПЧ возникают колебания самовозбуждения. Поэтому применение в цепи обратной связи ФАПЧ ФНЧ второго порядка и более высоких порядков требует анализа устойчивости схемы ФАПЧ.

3.3 Выбор микросхем

В настоящее время ведущие фирмы выпускают серийные ДПКД, работающие в диапазоне частот до 7 ГГц, а ГУН в диапазоне частот до 17 - 18 ГГц. Для совместной работы ГУН и ДПКД используют делители частоты на 2, которые работают на частотах до 18 - 20 ГГц. На рисунке 3.2. показана структурная схема синтезатора частот на 14 ГГц. ГУН работает на частоте 14ГГц. Синтезатор частот выполнен на микросхеме ADF 4107, работающей в диапазоне частот до 7 ГГц. Поэтому между ГУН и ДПКД схемы синтезатора включен прескалер (делитель частоты на 2, микросхеме HMC492LP3). С выхода прескалера сигнал ГУН с частотой 7 ГГц поступает на ДПКД.

Рисунок 3.2 - Схема цифрового синтезатора частоты

В ходе выполнения данного раздела:

1) Изучены принципы построения цифровых синтезаторов частот и разработана структурная схема СЧ (рис. 3.1).

2) Выбраны микросхемы для реализации СЧ в заданном диапазоне частот:

- ГУН, который работает на частоте 14 ГГц;

- частота ОКГ fокг=10 МГц;

- Синтезатор частот выполнен на микросхеме ADF 4107, работающей в диапазоне частот до 7 ГГц;

- прескалер (делитель частоты на 2) на микросхеме HMC492LP3;

3) Проведен расчет коэффициентов деления ДЧ и ДПКД, для обеспечения заданных значений частоты выходного сигнала (равного 14 ГГц) и сетки частот (шаг сетки частот: 1 МГц):

- Кдч=10;

- Кдпкд=14•103

4. Разработка и расчет элементов функциональной схемы СВЧ-Т

Расчет коэффициента шума РПрУ.

Необходимый нам малошумящий усилитель (МШУ на микросхеме HMC565, диапазон частот 6-20 ГГц) имеет следующие параметры:

- значение коэффициента шума Ks = 2.3 дБ;

- значение коэффициента усиления K = 22 дБ.

При бесконечно большом значении коэффициента усиления МШУ, коэффициент шума РПрУ определяется коэффициентом шума первого каскада. Наш усилитель имеет значение коэффициента усиления равное 22 дБ. Необходимо рассмотреть влияние следующих каскадов (смесителя) на шумы РПрУ.

Для расчета коэффициента шума РПрУ рассмотрим упрощенную структурную схему РПрУ, рис.4.1. Для упрощения схемы синтезатора частот РПрУ, используем субгармонический смеситель (работающий на второй гармонике частоты гетеродина). Коэффициент передачи такого смесителя составляет около минус 13 дБ. Рассмотрим упрощенную структурную схему РПрУ для двух вариантов:

1. МШУ выполнен на двух одинаковых усилителях. В этом случае приемное устройство может быть представлено в виде трех каскадов имеющих следующие значения коэффициентов усиления:

K1=22 дБ; K2=22 дБ; K3=-13 дБ;

W1=2.3 дБ; W2=2.3 дБ; W3=2 дБ,

где К1, К2 - коэффициенты усиления СВЧ смесителя;

К3 - коэффициент передачи смесителя;

W1, W2 - коэффициенты шума усилителя;

W3 - коэффициент шума ПУПЧ.

Рисунок 4.1 - Структурная схема РПрУ

Тогда значение коэффициента шума РПрУ равно:

(4.1)

или Ks=10lg(1.7)= 2.3 (дБ).

2. Коэффициент шума многокаскадного усилителя с большими значениями коэффициентов усиления каскадов (K >> 1) определяется коэффициентом шума первого каскада:

(4.2)

или Ks=10lg(1.8)=2.6 (дБ).

Учитывая, что шумовая температура атмосферы равна Тш=300К, то изменением коэффициента шума от 1.7 до 1.8 можно пренебречь и использовать один каскад усиления. Тогда значение коэффициента шума РПрУ Ks = 1.8 (KsдБ = 2.6 дБ).

Ослабление зеркального канала может быть рассчитано используя выражение (2.2), подставив в него вместо fцп, fЗК.

A = 10*n*log|fС/(Q(fС-fЗК))|, (дБ) (4.3)

или

A = 10*n*log|fС/2QfПР| = 20*log|14•109/2*300*400*106| = 49,3(дБ) (4.4)

4.2 Расчет энергетических характеристик разрабатываемого устройства

Определим необходимое значение мощности РПдУ для формата 16КАМ в следующей последовательности:

1. Определим чувствительность приемного устройства СВЧ модуля:

Pпрmin = Ks kT0df (4.5)

где

Ks - коэффициент шума РПрУ в разах (Ks = 1.8);

k - постоянная Больцмана;

T0 - температура РПрУ в градусах Кельвина (T0 = 300);

df - полоса частот системы связи для заданного формата (62,5МГц).

Pпрmin = 1.8·1.4·10-23 ·300·62,5·106 = 4.73· 10-13 (Вт) (4.6)

2.Определим мощность принимаемого сигнала для обеспечения заданного значения вероятности ошибки:

Рс = Pпрmin100.1*С/(Вт) (4.7)

Рс = 4.76· 10-13 ·100.1·32.7 = 8.8·10-10 (Вт) (4.8)

Отношение сигнал/шум определено в первом разделе (С/Ш = 32,7 дБ).

Для обеспечения полученного значения мощности сигнала на входе приемного устройства на расстоянии R= 9000 м мощность передатчика должна быть равна:

(4.9)

где G1, G2 - коэффициенты усиления антенн передающего и приемного устройств;

л - длина волны ();

А - ослабление сигнала на гидролокаторах (пыль, туман, дождь, снег и т.д.);

В соответствии с заданием диаметр антенного устройства не должен превысить 0.4м.

Определим значение коэффициента усиления антенны:

(4.10)

где Sэф - эффективная площадь антенны.

(4.11)

(м2) (4.12)

Тогда Sэф*Sг = 0.024м2.

(4.13)

(4.14)

Выбираем усилитель имеющий значение выходной мощности в линейном режиме работы равную P1дБ = 55 мВт.

5. Выбор микросхем для практической реализации функциональных схем СВЧ-Т

В соответствии с исходными данными система связи должна обеспечить передачу цифрового сигнала 150 Мбит/с используя формат 64 КАМ. Анализ современной элементной базы показал, что в настоящее время имеются недорогие усилители, обеспечивающие в диапазоне частот до 14 ГГц значение коэффициента шума 2,6 дБ и мощность выходного сигнала 55 мВт. Усилители большей мощности имеют большую стоимость и меньшую номенклатуру.

Для выбора усилителей используем микросхемы, параметры которых приведены ниже:

Синтезатор частот выполнен на микросхеме ADF 4107. Характеристики схемы приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1 - Характеристики схемы ADF4107

Делитель частоты выполнен на микросхеме HMC 432. Характеристики схемы приведены в таблице 5.2.

Таблица 5.2 - Характеристики схемы НМС 432

МШУ выполнен на микросхеме HMC565. Её параметры приведены в таблице 5.3.

Таблица 5.3 - Характеристики микросхемы НМС 565

В результате выполнения четвертого раздела получили следующие результаты:

1) Рассчитано значение коэффициента шума РПрУ:

- Ks = 1,8 или KsдБ = 2,6 дБ.

2) Рассчитано значение мощности выходного каскада РПдУ при отсутствии потерь в атмосфере:

- Pп=55 мВт.

3) Произвели выбор необходимых микросхем:

- МШУ на микросхеме HMC 565;

- СЧ на микросхеме ADF 4107;

- ДЧ на 2 на микросхеме HMC432.

Заключение

В данном курсовом проекте разработаны функциональные узлы цифровой системы передачи, использующей QAM-модуляцию (QAM-64). В результате проанализированы характеристики системы для заданного вида модуляции: определены ширина спектра выходного сигнала, требования к линейным и нелинейным искажениям, погрешность разности фаз квадратурных составляющих.

Разработана структурная схема приемопередающего устройства, обоснован выбор типа микросхем для построения системы связи. Разработаны отдельные узлы приемопередающего устройства: синтезатор частот, модулятор, выходной каскад.

Список литературы

1. Кореневский С.А. «Методы и устройства формирования и обработки телекоммуникационных сигналов. Часть 3»: Метод. пособие по курсовому проектированию для студ. спец. «Системы радиосвязи, радиовещания и телевидения», «Многоканальные системы телекоммуникаций» /всех форм обуч. Мн.: БГУИР, 2006 г. - 52 с.

2. Кореневский С.А. «Методы и устройства формирования и обработки телекоммуникационных сигналов. Часть 2»: Метод. пособие для проведения практических занятий «Системы радиосвязи, радиовещания и телевидения», «Многоканальные системы телекоммуникаций» /всех форм обуч. Мн.: БГУИР, 2005 г. - 53 с.

3. Клюев Л.Л. «Теория электрической связи».- Мн.: Дизайн ПРО, 1998 г. - 335 с.

Размещено на Allbest.ru