Согласно (36), управляя величиной дискрета фазы Дц, можно изменять направление главного лепестка диаграммы направленности и₀,т.е. производить электронное сканирование лучом антенны.

Диаграмма направленности ФАР при N излучателях определяется выражением

Е(и) = sin(0,5Nв)/sin(0,5в) , (37)

где в = (2рb/л)(sin и -sin и ₀).

Диаграмма, построенная при N = 16 и и_o = 0, показана на рисунке 14.

Рисунок 14 - Диаграмма направленности ФАР при 16 излучателях

Укрупненная структура радиопередающего устройства с ФАР приведена на рисунке 15.

Рисунок 15 - Структура радиопередающего устройства с ФАР

В качестве N-канального делителя могут использоваться схемы сумматоров, которые являются устройствами взаимного типа. В блоке фазовращателей применяются фазовращатели дискретного типа -диодные или ферритовые. Устройство одного из них показано на рисунке 16.

Рисунок 16 - Блок фазовращателей на основе фазовращателей дискретного типа

С помощью электронного переключателя на основе p-i-n-диода меняется длина линии, подключенной к циркулятору, что изменяет фазу сигнала на величину Дц = 4рL/л_д, где л_д - длина волны в линии.

Путем перестройки фазовращателей, включенных в каждый из СВЧ трактов, питающих излучатели, осуществляется управление фронтом фаз сигналов вдоль решетки, следствием чего является электронное сканирование лучом антенны. Управление фазирующим устройством производится по программе с помощью специализированного компьютера.

Блок усилителей включает СВЧ генераторы, возбуждающие каждый из N излучателей антенной решетки.

К достоинствам ФАР следует отнести: возможность электронного сканирования лучом антенны с высоким быстродействием путем переключения фазовращателей по определенному алгоритму; сложение в пространстве мощностей большого числа идентичных СВЧ генераторов, питающих отдельные излучатели; возможность автоматизации процесса управления лучом антенны по программе с помощью компьютера; высокую надежность при выходе из стоя отдельных генераторов, поскольку в целом система остается работоспособной; слабую связь между отдельными излучателями, что позволяет обеспечить хорошую развязку (до 30 дБ и выше) между питающими их генераторами.

При плоской ФАР без ощутимого снижения ее параметров общий сектор обзора составляет ± 60°. Для управления лучом в двух ортогональных направлениях применяют двумерную плоскую ФАР [13]. При необходимости расширения сектора обзора до 360° используют цилиндрическую ФАР, в которой производится поочередное подключение групп излучателей.

4. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИССЛЕДУЕМОГО УСТРОЙСТВА

4.1 Классификация радиопередатчиков

Радиопередающими устройствами (более коротко - радиопередатчиками) называются радиотехнические аппараты, служащие для^ генерирования, усиления по мощности и модуляции высокочастотных (ВЧ) и сверхвысокочастотных (СВЧ) колебаний, подводимых к антенне и излучаемых в пространство. Передача информации с помощью радиопередатчиков осуществляется в рамках определенной радиотехнической системы.

Три функции - генерация, усиление и модуляция - объединяются общим понятием: формирование сигнала, под которым понимают колебание, несущее информацию. Как указывалось выше, такой электромагнитный сигнал, излученный в пространство, называется радиосигналом.

В технологическом плане радиопередающие устройства представляют собой сборки из микросхем, транзисторов, диодов, электровакуумных приборов, конденсаторов, трансформаторов и множества иных элементов, соединенных между собой согласно определенной электрической схеме. Наиболее совершенные конструкции полностью состоят из полупроводниковых гибридных и интегральных микросхем.

Радиопередатчики классифицируют по пяти основным признакам: назначению, объекту использования, диапазону частот, мощности и виду излучения.

Назначение радиопередатчика определяется радиотехнической системой, в которой он используется, и связано с видом передаваемой информации. В этой связи различают радиосвязные, радиовещательные, телевизионные, радиолокационные, радиотелеметрические, радионавигационные, для радиоуправления и другие типы радиопередатчиков.

Объект использования определяется местом установки радиопередатчика, что влияет на условия его эксплуатации. По этому признаку различают наземные стационарные, самолетные, спутниковые, корабельные, носимые, мобильные радиопередатчики, т.е. устанавливаемые на автомобилях, железнодорожном транспорте и иных наземных передвижных объектах.

По диапазону частот радиопередатчики различаются в соответствии с принятым делением радиочастотного диапазона: сверхдлинноволновые, длинноволновые, средневолновые, коротковолновые, ультракоротковолновые, метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые. Передатчики шести первых диапазонов объединяются общим названием - высокочастотные (ВЧ), трех последних - сверхвысокочастотные (СВЧ). Таким образом, границей между радиопередатчиками ВЧ и СВЧ диапазонов является частота 300 МГц. При частоте менее 300 МГц передатчик относится к ВЧ диапазону, выше - к СВЧ (см. табл. 2.1).

По мощности ВЧ или СВЧ сигнала, подводимого к антенне, радиопередатчики различают по мощности излучения в непрерывном режиме: малой - до 10 Вт, средней - от 10 до 500 Вт, большой -от 500 Вт до 10 кВт, сверхбольшой - выше 10 кВт.

По виду излучения передатчики различают на работающие в непрерывном и импульсном режимах. В первом случае при передаче сообщения сигнал излучается непрерывно, во втором - в виде импульсов.

Для характеристики типа радиопередатчика следует указать, к какому виду он относится в каждом из пяти названных разрядов.

Пример 1. Радиосвязной радиопередатчик, самолетного типа, УКВ диапазона, средней мощности, непрерывного излучения.

Пример 2. Радиолокационный радиопередатчик, мобильный, сантиметрового диапазона, сверхбольшой мощности, импульсного излучения.

Пример 3. Радиотелеметрический радиопередатчик, спутниковый, малой мощности, дециметрового диапазона, непрерывного излучения.

4.2 Обоснование структурной схема радиопередатчика

Радиопередатчик представляет собой сборку из отдельных каскадов и блоков, каждый из которых функционирует и самостоятельно, и в сочетании с другими частями всего устройства [14]. Поэтому рассмотрим вначале, какие каскады и блоки могут входить в радиопередатчик и в чем состоит их назначение. К числу каскадов относятся:

автогенератор или генератор с самовозбуждением, являющийся источником высокочастотных (ВЧ) или сверхвысокочастотных (СВЧ) колебаний. В зависимости от метода стабилизации частоты различают кварцевые и бескварцевые автогенераторы;

генератор с внешним или независимым возбуждением, являющийся усилителем ВЧ или СВЧ сигнала по мощности. В зависимости от полосы пропускания различают узко- и широкополосные генераторы;

умножитель частоты, служащий для умножения частоты колебаний;

преобразователь частоты, служащий для смещения частоты колебаний на требуемую величину;

делитель частоты, служащий для деления частоты колебаний;

частотный модулятор, служащий для осуществления частотной модуляции;

фазовый модулятор, служащий для осуществления фазовой модуляции;

фильтры, служащие для пропускания сигнала только в определенной полосе частот. Различают полосовые, низкочастотные, высокочастотные и режекторные фильтры;

сумматор (он же делитель) мощностей сигналов, служащий для суммирования мощностей однотипных сигналов или деления сигнала по мощности в требуемое число раз;

мостовое устройство - разновидность сумматора при сложении мощностей двух сигналов или деления в два раза мощности сигнала;

направленный ответвитель, служащий для отбора части мощности сигнала из основного канала его распространения;

согласующее устройство, служащее для согласования выходного сопротивления радиопередатчика с входным сопротивлением антенны;

аттенюатор, служащий для регулирования мощностью сигнала.

фазовращатель, служащий для управления фазой сигнала;

ферритовые однонаправленные устройства (циркуляторы и вентили), служащие для пропускания сигнала только в одном направлении; применяются, в основном, в СВЧ диапазоне;

балластные сопротивления, служащие для рассеивания мощности;

разнообразные датчики, позволяющие измерять параметры сигнала.

К числу основных блоков, составляемых из каскадов, относятся:

блок усиления ВЧ или СВЧ сигнала по мощности, составляемый из последовательно включенных генераторов с внешним возбуждением;

блок умножителей частоты, служащий для увеличения коэффициента умножения;

синтезатор частот, служащий для образования дискретного множества частот;

возбудитель, включающий в свой состав синтезатор частот и частотный или фазовый модуляторы;

амплитудный модулятор, служащий для осуществления амплитудной модуляции;

импульсный модулятор, служащий для осуществления импульсной модуляции;

антенно-фидерное устройство, соединяющее выход радиопередатчика с антенной и включающее фильтр, направленный ответвитель, ферритовое однонаправленное и согласующее устройства;

блоки автоматического регулирования, служащие для стабилизации или управления параметрами радиопередатчика. К их числу относятся устройства автоматической подстройки частоты, автоматической перестройки электрических цепей усилительных каскадов, автоматической перестройки согласующего устройства, автоматического управления мощностью, автоматического поддержания теплового режима. Современные устройства автоматического регулирования строятся на основе микропроцессора.

Разнообразные типы радиопередатчиков строятся как комбинация соответствующих каскадов и блоков. Обобщенная структурная схема радиопередатчика представлена на рисунке 17. Рассмотрим ее работу и расчет.

Рисунок 17 - Структурная схема радиопередатчика

Возбудитель служит для формирования сетки рабочих частот с требуемой стабильностью. При небольшом числе рабочих частот возбудитель строится по принципу «кварц-волна», что означает: каждой из частот соответствует свой кварцевый автогенератор. Переход с одной частоты на другую осуществляется с помощью электронного коммутатора.

При большом числе частот возбудитель представляет собой цифровой синтезатор частот, в состав которого входит опорный кварцевый автогенератор, делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД) и устройство автоматической подстройки частоты. Такой синтезатор может быть построен на основе большой интегральной схемы (БИС).

Частота кварцевых автогенераторов обычно не превышает 100 МГц. Поэтому при частоте передатчика больше этой величины в схему включаются умножители частоты, повышающие частоту сигнала в необходимое число раз.

Получение требуемой выходной мощности радиопередатчика осуществляется с помощью блока усиления мощности - последовательно (каскадно) включенных ВЧ или СВЧ генераторов с внешним возбуждением. При выходной мощности передатчика, превышающей мощность одного электронного прибора, в выходном каскаде осуществляется суммирование мощностей генераторов.

Между выходным каскадом радиопередатчика и антенной включается антенно-фидерное устройство (АФУ). В состав АФУ входят фильтр для подавления побочных излучений радиопередатчика, датчики падающей и отраженной волны и согласующее устройство. При работе в СВЧ диапазоне вместо последнего обычно применяется ферритовое однонаправленное устройство - вентиль или цир-кулятор.

Частотная модуляция осуществляется в возбудителе радиопередатчика, фазовая - в возбудителе или ВЧ умножителях и усилителях, амплитудная и импульсная - в ВЧ усилителях.

С помощью блока автоматического управления осуществляется автоматическая стабилизация параметров радиопередатчика (в первую очередь, мощности и температурного режима), защита при нарушении нормальных условий эксплуатации (например, при обрыве антенны) и управление (включение/выключение, перестройка по частоте).

4.3 Методика и примеры расчета основных параметров передатчика

При составлении и расчете структурной схемы транзисторного радиопередатчика исходят из его назначения, условий работы и следующих основных параметров: Р_А - выходной мощности, подводимой к антенне, диапазона рабочих частот, стабильности частоты, вида модуляции и характеристик модулирующего сигнала.

Общий коэффициент усиления сигнала по мощности радиопередатчика

К_Р = P_А/ K_АФР_возб (38)

где Р_А - мощность сигнала, поступающего в антенну; Р_возб - мощность сигнала возбудителя (обычно, Р_возб < 20 мВт); К_Аф < 1 - коэффициент передачи АФУ.

Тот же параметр, выраженный в децибелах относительно мощности в 1 Вт:

К_Р = 10lgP_A - 10lqР_возб - 10lqК_АФ , (39)

где Р_А, Р_Возб - мощность, [Вт].

Общий коэффициент усиления сигнала по мощности радиопередатчика есть произведение коэффициентов усиления отдельных каскадов. Выбрав тип электронного прибора в каждом из каскадов и определив по справочнику или рассчитав значения коэффициентов усиления этих приборов, можно составить структурную схему проектируемого радиопередатчика.

К основным параметрам радиопередатчика, характеризующим его технические показатели, относятся следующие параметры.

Диапазон частот несущих колебаний f_1….f_N.

Количество частот N внутри этого диапазона. В самом простом случае радиопередатчик может быть одночастотным и тогда N = 1.

Шаг сетки рабочих частот Дf_ш, в заданном диапазоне, определяемый согласно выражению

Дf_ш = (f_N - f₁) /(N-1). (40)

где N >2.

Радиопередатчик может работать на любой из фиксированных частот внутри диапазона (рисунок 18). Например, радиопередатчик системы УКВ самолетной радиосвязи работает в диапазоне частот 118... 136 МГц при шаге Дf_ш,= 25 кГц, общее количество частот N = 721.

Рисунок 18 - Сетка рабочих частот передатчика

Недопустимо излучение радиопередатчика не только вне закрепленного за ним диапазона частот, но и на частоте;, отличной от фиксированной сетки частот, например, между частотами f₂ и f₃.

Нестабильность частоты несущих колебаний. Различают абсолютную и относительную нестабильность частоты, долговременную и кратковременную.

Абсолютной нестабильностью частоты называется отклонение частоты f излучаемого радиопередатчиком сигнала от номинального значения частоты f_ном- Например, номинальное значение частоты равно f_ном = 120МГц, а фактически радиопередатчик излучает сигнал частотой f= 119,9994 МГц. Следовательно, абсолютная нестабильность частоты составит

Дf_нест= f_ном - f = 120 -119,9994 МГц = 0,0006 МГц = 0,6 кГц.

Относительной нестабильностью частоты называется отношение абсолютной нестабильности частоты к ее номинальному значению

Д_f = Дf_нест/ f_ном. (41)

В рассмотренном примере относительная нестабильность

Д_f = 0,0006/120 = 0,000005 = 5-10"⁶ (42)

В современных радиопередатчиках относительная нестабильность частоты обычно не превышает (2...3) 10-⁶. Но в некоторых случаях, например, в системах радионавигации, к этому параметру предъявляются еще более жесткие требования: в них следует иметь Д_f < 10-⁹

Выделенная полоса частот излучения Дf_выд. При любом виде модуляции - амплитудной, частотной, фазовой и импульсной - спектр сигнала становится или линейчатым (рисунок 19,а), или сплошным (рисунок 19,б), занимая определенную полосу частот Дf_сп.

Рисунок 19 - Виды спектра излучаемых сигналов

Для этого спектра выделяется определенная полоса частот Дf_выд - При этом следует соблюдать неравенство Дf_сп < Дf_выд т.е. спектр сигнала должен укладываться в выделенную для него полосу. В противном случае излучения одного радиопередатчика могут мешать излучениям других радиопередатчиков, проникая в выделенные для них полосы.

Выходная мощность несущих колебаний Р_а - это активная мощность, поступающая из радиопередатчика в антенну. Антенна имеет входное комплексное сопротивление Z_A = R_А +JХ_А. Поэтому при измерении выходной мощности радиопередатчика антенна может быть заменена эквивалентным сопротивлением Z_ЭKB = Z_A. Мощность, рассеиваемая в активной составляющей сопротивления R_А, и есть выходная мощность радиопередатчика Р_А, излучаемая антенной (рисунок 20,а).

Рисунок 20 - Способы определения выходной мощности передатчика

Мощность Р_А можно определить и вторым способом при непосредственном подключении радиопередатчика к антенне. По связывающему их фидеру распространяется две волны: в прямом направлении - падающая, в обратном - отраженная от антенны (рисунок 20,б). При этом мощность радиопередатчика:

Р_А = Р_пад - Р_отр,(43)

где Р_пад - мощность падающей волны, Р_отр - мощность отраженной волны.

Суммарная мощность, потребляемая радиопередатчиком от источника или блока питания по всем цепям, Р_0общ

Коэффициент полезного действия или промышленный КПД, определяемый как отношение выходной мощности радиопередатчика к потребляемой им мощности

з = Р_а/Р_{О общ} (44)

Вид модуляции и определяющие его параметры. При амплитудной модуляции таким параметром является коэффициент глубины модуляции т < 1, при частотной - девиация частоты Дf_дев„ при фазовой - девиация фазы Дц_дев, при импульсной - длительность импульса фи период их повторения Т.

Параметры передаваемого сообщения. Таким сообщением может быть речевая, факсимильная, телевизионная, телеметрическая и другая разнообразная информация, в том числе и считываемая с компьютера. Сообщение может передаваться в форме аналогового или цифрового сигнала. При аналоговом сообщении основным характеризующим его параметром является полоса частот спектра сигнала, при цифровом - число бит в секунду.

Параметры, характеризующие допустимые искажения передаваемого сообщения. В результате процесса модуляции, т.е. наложения на несущие колебания исходного сообщения, последнее претерпевает некоторые изменения или, иначе говоря, искажается. В каждом конкретном случае устанавливается вид и норма на эти искажения. Например, при передаче сообщения в виде синусоидального сигнала таким параметром является коэффициент нелинейных искажений, определяющий появление в исходном сигнале 2-й, 3-й и т.д. гармоник. При передаче импульсных сигналов искажения можно характеризовать по изменению формы сигнала.

Побочные излучения радиопередатчика. В идеальном случае радиопередатчик должен излучать только сигнал на частоте несущей и его спектр должен укладываться в выделенную полосу частот (рисунок 21,а). Однако в силу нескольких причин, основной из которых является нелинейный характер процессов, протекающих в каскадах радиопередатчика, в спектре излучаемого им сигнала появляются побочные составляющие (рисунок 22,б).

Рисунок 21 - Побочные излучения передатчика

Побочные излучения, лежащие за пределами, но вблизи выделенной полосы частот, называются внеполосными. Кроме них радиопередатчик может излучать гармоники, т.е. сигналы с частотой 2f₀, 3f₀ и т.д., а также субгармоники, т.е. сигналы с более низкой частотой f₀ /n. Кроме того, возможно излучение так называемых «паразитных» колебаний, причиной возникновения которых является самовозбуждение в усилительных каскадах радиопередатчика. Возникновение таких колебаний должно быть практически исключено.

Поскольку полностью исключить побочные излучения нельзя, особенно в мощных радиопередатчиках, то устанавливается норма на их величину или в абсолютных единицах (т.е. указывается, что мощность такого-то побочного излучения не должна быть больше N мВт), или в относительных единицах к мощности основного, полезного излучения.

Обычно эта норма составляет не менее минус 60 дБ, т.е. по мощности побочное колебание должно быть меньше мощности основного не менее чем 10⁶ раз. Кроме того , важными являются эксплуатационные параметры, такие как надежность, масса и габариты, а также характеристики управления .

4.4 Оценка эффективности исследуемого передатчика

Таким образом, КПД рассматриваемого устройства с параллельным усилением мощности сигнала с большим пик-фактором можно в соответствии с предыдущим пунктом определить как среднее значение КПД отдельных усилителей мощности

з = Р_а/Р_{О общ}= a₁ з₁ + a₂ з₂, (45)

где a₁,a₂ - весовые коэффициенты, определяемые по формуле

a_i =P_i /P_A; (46)

P_i - мощность излучения i-го усилителя мощности, причем сумма мощностей отдельных усилителей должна быть равна P_A..

Из формулы видно, что КПД рассматриваемого ПРД будет в основном определяться КПД первого усилителя, а он равен примерно 80-85%.

Сложность устройства при этом увеличится не менее чем в два раза, что увеличит соответственно во столько же раз его габариты и массу.

Надежность устройства не снизится, так как второй передатчик можно использовать как основной при выходе из строя основного ПРД.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в дипломной работе рассмотрены достоинства и недостатки параллельной передачи информации при помощи тригонометрических функций.

Показано, что реализация параллельной передачи возможна за счет прямого и обратного преобразований Фурье. Однако повышение скорости передачи информации сопровождается снижением эффективности передатчика системы передачи информации.

Одним из распространенных на практике способов повышения эффективности усиления мощности сигнала передатчика OFDM является ограничение его амплитуды.

Однако при этом сигнал искажается, что приводит к снижению помехоустойчивости системы по отношению сигнал-помехи примерно на р/2.

Проведен анализ путей повышения энергетической эффективности усилителей мощности многочастотных сигналов, позволяющих устранить основной недостаток рассматриваемых сигналов.

Рассмотрены различные варианты схем сложения мощности сигналов, чтобы обеспечить эффективное усиление сложных составных сигналов с большим пик-фактором.

Проведена оценка показателей исследуемого усторойства, что позволило оценить эффективность рассматриваемого метода.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Информационные технологии в радиотехнических системах: Учебное пособие / В. А. Васин, И. Б. Власов, Ю. М. Егоров и др.; Под ред. И. Б. Федорова. - М.: Изд-во МГТУ им Н. Э. Баумана, 2004. - 672 с.

Вишневский В. М. Энциклопедия WiMax.Путь к 4G / В. М. Вишневский, С. Л. Портной, И. В. Шахнович. - М.: Техносфера, 2009. - 595 с.

Коганов В. И. Основы радиоэлектроники и связи / В. И. Коганов, В. К. Битюков. - М.: Горячая линия-Телеком, 2007. - 542 с.

Варакин Л. Е. Теория систем сигналов. - М. Сов. Радио, 1978. - 314 с.

Борисов Ю. П. Основы многоканальной передачи информации / Ю. П. Борисов, П. И. Пенин. - М. Связь. 1967. - 439с.

Варакин Л .Е. Помехоустойчивость систем связи с шумоподобными сигналами // Электросвязь. 1979, № 1. С.42 - 47.

Морозов В. А. Теория и методы обработки сигналов / В. А. Морозов, Б. А. Хаджи // Радиотехника и электроника. 2002. Т. 47, №10. С.44-47.

Варакин Л. Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985. - 497с.

Бакулин М. Г. Повышение скорости передачи информациии и спектральной эффективности беспроводных систем связи / М. Г. Бакулин, В. Б. Крейнделин, А. П. Шумов // Цифровая обработка сигналов.- 2011.- №1. С. 2-12.

Громаков Ю. А. Оптимальная обработка радиосигналов большими системами / Ю. А. Громаков, И. А. Голяницкий, В. А. Шевцов. - М.: Эко-Трендз, 2007. - 260 с.

Мартиросов В. Е. Теория и техника приема дискретных сигналов ЦСПИ. - М.: Изд-во Радиотехника. 2012. - 138 с.

Немировский М. С. Цифровая передача информации. - М.: Связь, 2010.

Перов А. И. Статистическая теория радиотехнических систем. Учеб. пособие для вузов. - М.: Радиотехника, 2011.

Тихвинский В. О. Сети мобильной связи LTE: технологии и архитектура / В. О. Тихвинский, С. В. Терентьев, А. Б. Юрчук. - М.: Эко-Трендз, 2010. - 284 с.

Размещено на Аllbest.ru