Радиопередающие устройства связи и вещания

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Радиопередающим называется устройство, предназначенное для выполнения двух основных функций - генерации электромагнитных колебаний и их модуляции в соответствии с передаваемым сообщением. Радиопередающие устройства находят широкое применение в различных областях, телевидение, все виды радиосвязи, радиовещание, телеметрии.

В настоящее время эксплуатируются радиотелевизионные передающие станции третьего поколения. Они отличаются от станций предыдущего поколения рядом принципиальных особенностей, связанных с назначением их в передающей сети. В первую очередь следует отметить основное назначение этих станций - это создание программ ТВ вещания в пунктах, уже охваченных однопрограммным вещанием. Установка нового оборудования на этих пунктах не должен привести к пропорциональному росту численности обслуживающего персонала, а объём работы имеющегося персонала должен возрасти незначительно. Всё это возможно лишь при высокой надёжности оборудования, обеспечивающего необслуживаемую стабильную работу станции в течении нескольких месяцев с возможностью управления ею с дистанционно с пульта уже действующей станции.

Задачей курсовой работы является проектирование передатчика с разработкой амплитудного модулятора на транзисторах. В данной работе уделяется внимание вопросам разработки функциональной и электрической схемам частотного модулятора, а также их расчет.

1. Назначение, области применения и основные характеристики радиопередатчиков

1.1 Радиопередатчики в системах радиосвязи

Радиопередающие устройства предназначены для выполнения двух основных функций - генерации электромагнитных колебаний высокой или сверхвысокой частоты и управления ими - модуляции в соответствии с передаваемым сообщением.

На рисунке 1 представлена структурная схема радиопередатчика.

Рис 1. Структурная схема радиопередатчика

Схема содержит следующие элементы:

G - автогенератор (задающий генератор)

???????? ?????? -

- умножитель частоты (синтезатор частоты)

- предварительный усилитель

ФВПИ - фильтр внеполосных излучений

ПМ - подмодулятор

УЭ - управляющий элемент

АФТ - антенно-фидерный тракт

1.2 Основные параметры радиопередатчиков

Основными параметрами радиопередающих устройств являются

следующие:

Мощность передатчика -- мощность электрических радиочастотных колебаний Р~а, подводимая к антенне или фидеру антенны. Мощность Р~а является эффективной мощностью за период радиочастоты в отсутствие модуляции. Но мощность, излучаемая антенной, зависит от ее типа и параметров.

Номинальная мощность передатчика -- это мощность, поступающая в эквивалент антенны в режиме молчания (мощность несущей).

В зависимости от назначения радиопередатчика его мощность лежит в пределах от долей ватта до тысяч киловатт.

Стабильность частоты передатчика -- постоянство частоты в процессе работы. Высокая стабильность частоты необходима для обеспечения надежной беспоисковой и бесподстроечной связи. Нестабильность частоты характеризуется отклонением частоты от номинального значения. Относительная нестабильность частоты авиационных передатчиков достигает 10^-7.

Коэффициент полезного действия (КПД) передатчика. Промышленный КПД передатчика определяется отношением мощности радиочастоты, отдаваемой передатчиком в антенну, ко всей мощности, потребляемой передатчиком: _пр = р_А/р_т. Повышение КПД, особенно мощных передатчиков, позволяет повысить экономические показатели их.

Эксплуатационные свойства радиопередающих устройств характеризуются следующими показателями: безотказностью, долговечностью, сохраняемостью, ремонтопригодностью. Общие показатели эксплуатационных свойств определяют надежность передатчиков.

Главным эксплуатационным требованием для радиопередатчиков является обеспечение их высокой надежности при работе в самых различных условиях работы. Для этого необходимо:

поддержание радиопередатчиков в исправном состоянии и постоянной готовности к работе;

проведение своевременного и качественного ремонта с целью восстановления их работоспособности;

своевременное и полное материальное обеспечение технического обслуживания.

Для того чтобы радиопередающие устройства работали надежно и безотказно, необходимо проводить их техническое обслуживание. Анализ опыта эксплуатации радиопередающих устройств показывает, что расходы на техническое обслуживание и текущий ремонт составляют значительную часть всех эксплуатационных расходов.

2. Проектирование схемы радиопередатчика и определение его основных параметров

2.1 Проектирование функциональной схемы радиопередатчика и определение его основных параметров

радиопередатчик схема электромагнитное колебание

Основные функциональные узлы радиопередатчика. Схема и конструкция радиопередатчика зависят от различных факторов: назначения, диапазона рабочих волн, мощности и т.д. Тем не менее, можно выделить некоторые типичные блоки, которые с теми или иными вариациями имеются в большинстве передатчиков.

Структура передатчика определяется его основными общими функциями, к которым относятся:

Получение высокочастотных колебаний требуемой частоты и мощности;

Модуляция высокочастотных колебаний передаваемым сигналом;

Фильтрация гармоник и прочих колебаний, частоты которых выходят за пределы необходимой полосы излучения и могут создать помехи другим радиостанциям;

Излучение колебаний через антенну.

Остановимся более подробно на требованиях техническим характеристикам радиопередатчика.

Генератор высокой частоты, часто называемый задающим или опорным генератором, служит для получения высокочастотных колебаний, частота которых соответствует высоким требованиям к точности и стабильности частоты радиопередатчиков. В данном проекте мы будем использовать кварцевый генератор.

Усилитель мощности (его называют генератором с внешним возбуждением) увеличивает мощность радиосигнала до уровня, определяемого требованиями технического задания (ТЗ) на проектирование передающего устройства системы радиосвязи. Главным требованием к усилителю мощности является обеспечение им высоких экономических показателей, в частности коэффициента полезного действия.

Выходная цепь служит для передачи усиленных колебаний в антенну, для фильтрации высокочастотных колебаний и для согласования выхода мощного оконечного усилителя с антенной, т.е. Для обеспечения условий максимальной передачи мощности.

Модулятор служит для модуляции несущих высокочастотных колебаний передатчика передаваемым сигналом. Для этого модулятор воздействует в зависимости от особенностей передатчика и вида модуляции (амплитудная, частотная, однополосная и др.) В данном курсовом проекте используется амплитудная модуляция.

Здесь необходимо обеспечить АМ модуляцию, в данном случае будем использовать управляемый по частоте кварцевый автогенератор.

2.2 Анализ исходных данных

Колебательная мощность отдаваемая в антену 250 мВт

Рабочая частота F_раб = 7 ТВ канал (182…190 МГц)

Относительная нестабильность частоты д_f = ?f/f_раб = 10^-7

Уровень подавления побочных излучений 40 дБ

Вид модуляции - АМ

Вид передаваемого сигнала - телевизионный

Тип элементной базы - биполярном транзисторе



ЗГ - задающий генератор

МОД - модулятор

ПМ - подмодулятор

УМ - усилитель мощности

ФГ - фильтр гармоник

Рис. 2 Упрощенная функциональная схема передающего устройства

К основным показателям радиопередатчика относятся: диапазон волн, мощность, коэффициент полезного действия, вид и качество передаваемых сигналов.

В данном курсовом проекте нужно разработать телевизионный передатчик с рабочей частотой f = 7 ТВ канала (182…190 МГц; f = 183,25 МГц)

Мощность передатчика обычно определяется как максимальная мощность высокочастотных колебаний, поступающая в антенну при отсутствии модуляции, при непрерывном излучении. Однако этой характеристики недостаточно для оценки мощности радиопередатчика. Необходимо учитывать вид модуляции, который в данном случае является амплитудным. Мощность, излучаемая антенной передатчика в режиме молчания, определяется по формуле Р_~н = 0,5 I_АнU_A = 0,5 I_АнR_A, где R_A - сопротивление антенны. Постоянная заданная мощность разрабатываемого передатчика 250 мВт.

Важнейшими показателями радиопередатчика являются стабильность излучаемых им колебаний и уровень побочных излучений. Дело в том, что если строго соблюдается присвоенная данному передатчику частота радиосигнала, то настроенный на эту частоту радиоприемник сможет принимать передаваемые сигналы тотчас после включения, не требуя подстроек; это способствует удобству эксплуатации и высокой надежности радиосвязи, а также облегчает автоматизацию оборудования. В данном проекте требуемая стабильность частоты 10^-7. Такую стабильность может обеспечить кварцевый резонатор.

2.3 Разработка функциональной схемы радиопередатчика с амплитудной модуляцией

При амплитудной модуляции по закону изменения сигнала информации изменяется амплитуда радиочастотных колебаний.

Создаваемые автогенераторами радиочастотные колебания имеют постоянную амплитуду и частоту. Формула для тока в антенне до модуляции имеет вид

i_A = I_Ан cos щt.

Для осуществления амплитудной модуляции надо изменять амплитуду тока I_Ан по закону передаваемого сигнала. Передаваемые сигналы в общем случае представляют собой непериодические процессы, непрерывно изменяющиеся во времени по случайному закону. Для простоты анализа рассмотрим модуляцию однотонным звуком частоты Щ, амплитуда которого постоянна. Если на микрофон воздействует переменное звуковое давление, изменяющееся по закону a = A cos Щt, то на выходе микрофона создается напряжение звуковой частоты u_Щ = U cos Щt.

Для осуществления амплитудной модуляции в соответствии с этим законом должна изменяться амплитуда радиочастотных колебаний. Если до модуляции в антенне протекал ток с постоянной амплитудой I_Ан то в процессе модуляции амплитуда тока должна получать приращения ДI_Ан. Причем это приращение не остается постоянным, а изменяется во времени по закону изменения напряжения звуковой частоты.

Выражение амплитуды тока в антенне при этом принимает вид I_Ан + ДI_Ан cos Щt, а формула для тока в антенне при модуляции i_A = (I_Ан + ДI_Ан cos Щt) cos щt.

После преобразования получим i_A = I_Ан (1+ ДI_Ан / I_Ан cos Щt) cos щt = I_Ан (1+ m cos Щt) cos щt. Отношение ДI_Ан / I_Ан называется коэффициентом модуляции и обозначается буквой т.

Рис. 73. Графики АМ колебаний при различной глубине модуляции.

Значение коэффициента модуляции зависит от амплитуды напряжения звуковой частоты и может выбираться от 0 до 1. На рис. 73 приведены графики модулированных колебаний при разной глубине модуляции. Коэффициент модуляции можно определить по формуле

m=(I_Amax - I_Amin)/ (I_Amax + I_Amin)

Значения I_Amax и I_Amin легко определить по графикам, приведенным на рис. 73.

I cos (щt + ц) U(t) I cos (щt + ц)

I cos Щt

Рис 3 Амплитудный модулятор.

Для уменьшения влияния модулятора на задающий генератор добавим в схему, между ними, буферный каскад.

ЗГ - задающий генератор

МОД - модулятор

ПМ - подмодулятор

УМ - усилитель мощности

ФГ - фильтр гармоник

БК - буферный каскад

буферная ступень, - каскад радиопередающего или радиоприёмного устройства, применяемый для уменьшения или устранения влияния следующего за ним каскада на работу предыдущего.

2.4 Расчет выходного каскада усилителя мощности радиопередатчика

Прежде всего необходимо выбрать транзистор выходного каскада, обеспечивающий получение заданной мощности в антенне . Выбор транзистора целесообразно начать с определения требуемой от него высокочастотной мощности:

Pтр=Ра/ зф*зкс=250/(0,8*0,75)= 417 мВт

Где з_ф=0,8...0,9 КПД фидера, з_кс=0,7...0,8 КПД колебательной системы выходного каскада.

Такую мощность можно получить применив 3 транзистора, работающих в параллель.

Энергию высокочастотных колебаний, отдаваемую транзисторами в диапазоне ОВЧ и УВЧ, целесообразно суммировать с помощью мостовых схем. Потери, неизбежные при суммировании, можно учесть с помощью КПД мостовых схем:

Р_тр=Р_А/(з_ф* з_кс* з_{сх.слож})=250/(0,8*0,75*0,95)?439 мВт

Рассчитываем ток антенны.

Исходя их расчета, для проектирования подходит транзистор КТ306А



Iкмакс	Iкмакс'	Uкэ0	Uкэ0'	Ркмакс	Ркмакс'	F rp	h21э min	h21э max
30 мА	50 мА	10 В	10 В	0,15 Вт	0,15 Вт	500 МГц	40	120

Коэффициент усиления мощности транзистором

Где Kргр- коэффициент усиления мощности транзистором на граничной частоте fгр;

По заданию fн=183,25 мгц;

H_21э=50;

H_21э - коэффициент усиления транзистора на низкой частоте в схеме с общим эмиттером;

Для определения параметров источников питания необходимо вычислить постоянные составляющие токов и напряжений питания и смещения.

Постоянная составляющая тока источника питания каскада определяется по формуле

Где: - постоянная составляющая тока напряжения питания (рекомендуется выбрать

полагаем В,

Тогда U_k0=0,85*28=23,8В

Тогда электронный КПД транзистора, имеющий значение порядка 0,5…0,6 (для каскадов транзисторных ОВЧ и УВЧ радиопередатчиков), выбираем 0,6.

I_г0=463/(23,8*0,6)=32,4А

2.5 Расчет основных промежуточных каскадов и задающего генератора радиопередатчика

Параметры промежуточных каскадов определяют, начиная с предвыходного и заканчивая буферным.

Исходя из мощности, необходимой для возбуждения выходного каскада получаем

Р_{в предварит каскада}=Р_тр/(К_р*з_{согласит сист})=439/(50*0,95)=9,3 мВт

Такую мощность сформирует задающий генератор.

3. Составление функциональной схемы радиопередатчика

3.1 Составление функциональной схемы радиопередатчика

При последовательном подключении усилителей мощности, уровень входной мощности на каждый из усилителей достаточно велик и с каждым следующим каскадом только увеличивается, также для реализации такого способа подключения нужны более дорогие и сложные в реализации технические средства, поэтому в данном курсовом проекте будет использован параллельный способ подключения и сумматор мощностей , так как это гораздо надежнее и проще в реализации.

В результате выбора каскадов и ориентировочного определения их основных параметров стало известно общее число каскадов, типы и число электронных приборов в каждом из них, а также напряжения и токи, необходимые для их питания, мощности входных и выходных колебаний.

Используя эти данные, составляют функциональную схему высокочастотного тракта. Один из вариантов такой схемы показан на рисунке 7.

P=0,9мВт P= 250 мВт

Функциональная схема разработанного передатчика

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данная курсовая работа по дисциплине «Радиопередающие устройства» помогла приобрести навыки использования теоретических знаний в проектировании и расчете амплитудного модулятора телепередатчика.

Выполненное практическое задание помогло приобрести навыки о составе и назначении элементов в общей функциональной схеме, также расчетов элементов схемы.

На основе полученных теоретических знаний и произведенных расчетов была построена функциональная электрическая схема амплитудной модулятора и произведены расчеты её основных элементов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. В.В. Шахгильдян, 4-е издание, Москва. - «Радио и связь». - 2000г. Стр. 370 - 437

2. Муравьев О.Л. Радиопередающие устройства связи и вещания. - М.: Радио и связь, 1983.

3. Бетин Б.М. Радиопередающие устройства. - М.: Высшая школа, 1965.

4. Г.М. Уткин. «Проектирование радиопередающих устройств СВЧ», Москва «Советское радио», 1979. Стр. 179 - 190.

5. Данные сети Интернет.

Размещено на Allbest.ru