Радиоэлектронные устройства и комплексы

Министерство образования Республика Беларусь Учреждение образования

«Минский Государственный высший радиотехнический колледж»

Контрольная работа Радиоэлектронные устройства и комплексы Кутас Дмитрий Александрович

2012г

Содержание

1 Частотный дискриминатор

2 Импульсная модуляция колебаний dx в передатчике

3 Усилители радиосигналов различных диапазонов

1. Частотный дискриминатор

Частотный дискриминатор вырабатывает сигнал при отклонении частоты импульсов от заданной, определяемой напряжением генератора постоянного напряжения. Если частота входных импульсов будет достаточно велика, то частотный дискриминатор будет выдавать максимальное по модулю отрицательное напряжение; если же частота входных импульсов будет достаточно низка, то он будет выдавать максимальное положительное напряжение; в противном случае будет осуществлено линейное преобразование разности

— частотный дискриминатор, реализующий принцип частотомера или периодомера.

Схема цифрового частотного дискриминатора с расстроенными контурами приведена на рис. 1

Рис. 1 Цифровой частотный дискриминатор АЦП преобразует сигнал в код. Частота выборки определяется спектром сигнала. Далее сигнал в цифровом виде поступает на два цифровые фильтра со смещенными резонансными частотами, являющиеся аналогом расстроенных контуров; смещение резонансных частот должно обеспечивать необходимую крутизну дискриминационной характеристики.

Рис. 2 иллюстрирует формирование дискриминационной характеристики.

z1(f) и z2(f) — модули комплексного сопротивления фильтров Далее сигнал подается на квадратичные преобразователи, сумматор и накопитель, позволяющий накапливать выборки входного сигнала.

Дискриминатор, использующий принцип счета пересечений нулевого уровня (рис. 3) функционирует на принципе частотометра, используя метод счета числа пересечений сигналом нулевого уровня за фиксированный интервал времени и сравнения числа с эталоном.

Рис. 3. Схема и временные диаграммы работы частотного дискриминатора Число накапливаемых импульсов на интервале

;; ,

где — время накопления.

За время подсчитывается число пересечений N и сравнивается с эталонным числом N0, предварительно записанным в счетчик. Далее код разности чисел считывается со счетчика и подается на цифровой фильтр. Устройство управления обеспечивает сброс счетчика и запись нового числа. Дискрет квантования частоты можно определить следующим образом Пусть количество импульсов, записанных в счетчик с частотой F1, равно

(1)

а число импульсов с частотой F2 равно

(2)

Вычтем (1) из (2):

(3)

Из выражения (3) определим дискрет квантования частоты, определяющий точность преобразования частоты в код

= .

Уменьшение дискрета квантования обеспечивается при использовании принципа периодомера, при котором определяется интервал времени соответствующий фиксированному числу периодов входного сигнала посредством заполнения этого интервала счетными импульсами высокой частоты. Затем этот интервал сравнивается с эталонным, соответствующим переходной частоте дискриминатора.

Цифровые фильтры Синтез передаточной функции цифрового фильтра. Для синтеза передаточной функции цифрового фильтра часто используется метод дискретизации аналогового фильтра-прототипа.

На основе теории аналоговых фильтров определяется передаточная функция, удовлетворяющая заданным требованиям. Затем производится дискретизация в соответствии с приведенной схемой (рис. 4). Непрерывный фильтр преобразуется в дискретную систему путем включения на его входе импульсного элемента и формирующего фильтра. Включение на входе импульсного элемента и формирующего фильтра обеспечивает подобие процессов на выходе цифрового фильтра и аналогового фильтра-прототипа.

Рис. 4. Схема дискретизации аналогового фильтра-прототипа Передаточная функция цифрового фильтра определяется как z-изображение передаточной функции полученного соединения звеньев:

При использовании в качестве формирующего фильтра фиксатора:

; .

Второй метод синтеза на основе использования передаточной функции аналогового фильтра-прототипа состоит в замене операций непрерывного дифференцирования и интегрирования операциями дискретного дифференцирования и интегрирования.

Аналоговое интегрирование производится в соответствии с выражением

(4)

где 1/р — оператор интегрирования;

а дискретное интегрирование по методу прямоугольников — в соответствии с выражением

(5)

где T — основание прямоугольника (рис. 5).

Рис. 5. Дискретное интегрирование по методу прямоугольников Введем оператор запаздывания с, в результате выражение (6) запишется в виде:

(6)

где .

Сравнив (4) и (6) определим эквивалентные операторы интегрирования и дифференцирования.

Чтобы определить передаточную функцию цифрового фильтра необходимо произвести следующие замены:

— операция дифференцирования ;

;

— операция интегрирования ;

.

Произведя замену операторов (), получим соответствие:

.

Аналогично производится замена переменной s на переменную z в соответствии с равенством Интегрирование методом трапеций, выполняемое в соответствии с равенством

также позволяет определить соответствующие операторы.

Реализация цифровых фильтров. Цифровые фильтры могут быть реализованы в прямой, канонической, параллельной и последовательной формах.

Прямая форма базируется на разностном уравнении

где — код числа на выходе фильтра; - код числа на входе фильтра;

ai, bi — коэффициенты.

Структурная схема фильтра представлена на рис. 6.

Каноническая форма отличается тем, что для задержки входной и выходной последовательностей используется одна линия задержки.

При последовательной форме реализации сложные звенья или сложная передаточная функция разбивается на ряд простых звеньев, так чтобы каждое звено описывалось дифференциальным уравнением не выше второго порядка. Передаточные функции этих звеньев, включенных последовательно, образуют необходимую передаточную функцию фильтра.

При параллельной форме реализации сложные передаточные функции фильтров формируются как сумма передаточных функций звеньев, включенных параллельно; каждое звено описывается дифференциальным уравнением не выше второго порядка. Каждое из таких элементарных звеньев реализуется по прямой или канонической форме.

Рис. 6. Схема цифрового фильтра В качестве фильтров часто используют реверсивные или обычные двоичные счетчики. При этом используются следующие схемы включения:

— реверсивный счетчик без сброса;

— реверсивный счетчик со сбросом после переполнения;

— реверсивный счетчик с накоплением и сбросом Реверсивный счетчик без сброса является цифровым интегратором. Определим его передаточную функцию и операторный коэффициент передачи.

где .

Произведя замену переменной

получим передаточную функцию На счетчик с накоплением и сбросом за время на вход поступает r чисел с периодом Т, затем содержимое счетчика сбрасывается. Эквивалентная схема счетчика представляет последовательное соединение элемента с конечной памятью TH и дискретного элемента (рис. 7).

Разностное уравнение, описывающее работу счетчика:

;

где W (c) — передаточная функция:

.

Дискретный элемент замыкается через время TH.

Рис. 7. Эквивалентная схема реверсивного счетчика с накоплением и сбросом Цифровые генераторы опорного сигнала Генератор опорного сигнала в цифровых системах фазовой и частотной синхронизации реализует функцию синтезатора частот. Синтезируемая частота определяется выражением

(7)

где f — частота выходного сигнала генератора; f0 — номинальная частота генератора; Дf — дискрет перестройки по частоте;n1 — код управления, поступающий с выхода фильтра.

Такой генератор может реализован с использованием цифро-аналогового преобразователя и генератора, управляемого напряжением. Недостатком такого генератора, называемого генератором с непосредственным управлением, является невысокая стабильность при обеспечении достаточного диапазона перестройки по частоте. Использование для повышения стабильности кварцевой стабилизации существенно снижает диапазона перестройки.

Поэтому широкое применение нашли генераторы с косвенным управлением частотой, позволяющие избавиться от этого недостатка. При этом можно использовать кварцевую стабилизацию частоты и одновременно обеспечить широкий диапазон перестройки частоты.

Генератор на основе управляемого делителя (рис. 8).

Рис. 8. Цифровой управляемый генератор Дешифратор ДШ определяет нулевое состояние, при этом на выходе формируется импульс, по которому с помощью устройства управления УУ в счетчик записывается число nд. Если в качестве делителя используется реверсивный счетчик, то импульсы с частотой fзг поступают на вход вычитания, в результате чего число nд считывается до нуля. На выходе формируется импульсная последовательность с частотой f:

. (8)

Недостатком является нелинейная зависимость частоты от кода nд.

Для обеспечения линейной зависимости необходимо производить пересчет управляющего кода. Для определения формулы пересчета приравняем выражения (7) и (8):

. (9)

Из выражения (9) находим nд:

.

Цифровой опорный генератор с управляемым дискретным фазовращателем (рис. 9.) Высокостабильный кварцевый задающий генератор формирует последовательность импульсов, которая поступает на вход устройства добавления и исключения импульсов. Исключение или добавление импульса в последовательность приводит к сдвигу фазы на 2р. Уменьшение дискрета подстройки достигается подключением делителя, который формирует опорный сигнал. В результате дискрет подстройки по фазе составит

.

Рис. 9. Цифровой опорный генератор с управляемым дискретным фазовращателем Генератор опорного сигнала для системы слежения за задержкой импульсного сигнала. При использовании в качестве опорного сигнала последовательности следящих импульсов основным элементом опорного генератора является преобразователь код-временная задержка. Этот преобразователь преобразует число n1, формируемое в фильтре, во временную задержку следящих импульсов. Преобразование кода во временную задержку реализуется на управляемой линии задержки или счетчике-формирователе. Рассмотрим схему, выполненную на счетчике-формирователе (рис. 10).

Рис. 10. Генератор опорного сигнала для системы слежения за задержкой импульсного сигнала

В регистр памяти записывается код, соответствующий оценке задержки.

Синхроимпульсом, связанным по времени с излучением зондирующего импульса, RS — триггер устанавливается в состояние «0». При этом на вход схемы И подается разрешающий уровень напряжения и с генератора счетных импульсов проходят импульсы на вход счетчика. Как только число в счетчике сравнивается с числом (рис.11),

Рис. 11. Временные диаграммы на выходе схемы сравнения формируется импульс запуска генератора следящих импульсов. Этим же импульсом восстанавливается начальное состояние триггера и обнуляется счетчик.

Выходной величиной преобразователя является временной сдвиг запускающих импульсов, равный Тз = n1Tcч,

где Tcч — период счетных импульсов, определяющий шаг квантования и точность преобразователя

2. Импульсная модуляция колебаний ВЧ в передатчике

Импульсная модуляция (ИМ) не является в действительности каким-то особым типом модуляции. Этот термин характеризует скорее вид модулирующего сигнала. Далее различают импульсную амплитудную и импульсную частотную модуляции. Здесь учитывают то, каким образом информация представлена — с помощью импульса или ряда импульсов. Можно рассматривать в качестве модулируемой величины амплитуду импульса, или его ширину, или его положение в последовательности импульсов и т. д. Следовательно, существует большое разнообразие методов импульсной модуляции. Все они используют в качестве формы передачи или AM, или ЧМ.

Рис. 7. Последовательность импульсов, отображающих число 37 в двоично-десятичном коде (младший значащий разряд первый).

Импульсная модуляция может быть использована для передачи как цифровых, так и аналоговых форм сигнала. Когда речь идет о цифровых сигналах, мы имеем дело с логическими уровнями — высоким и низким — и можем модулировать несущую (с помощью AM или ЧМ) рядом импульсов, который представляет цифровое значение. Например, если для числа 37 передается код ДКД (двоично-кодированное десятичное число) 110 111, то для модуляции несущей просто должна использоваться указанная последовательность нулей и единиц. Каждый нуль может быть представлен уровнем 0 В, а каждая единица — уровнем, например, 5 В. Образованная в результате последовательность импульсов показана на рис. 7 вместе с совпадающим рядом синхронизирующих импульсов, необходимых для идентификации положения единиц и нулей. В указанной последовательности важен порядок импульсов. Сначала передается МЗДР (младший значащий десятичный разряд) 7, а затем СЗДР (старший значащий десятичный разряд) 3. В каждом десятичном разряде на первом месте старший двоичный разряд (бит).

Отметим, что, даже если все импульсы имеют полную амплитуду 5 В, обычно допускается изменение цифровых уровней в широком диапазоне напряжений, что не приводит к нарушению нормальной работы системы. Например, логический уровень «1» может изменяться в пределах от 2,4 до 5,5 В.

При использовании импульсных методов для передачи аналоговых сигналов необходимо сначала преобразовать аналоговые данные в импульсную форму. Это преобразование также относится к модуляции, так как аналоговые данные используются для модулирования (изменения) последовательности импульсов или импульсной поднесущей. На рис. 8, а показана модуляция синусоидальным сигналом амплитуд последовательности импульсов.

Рис. 8. Форма сигналов амплитудно-импульсной модуляции.

а—форма модулированного сигнала; б—воспроизведенная форма сигнала при низкой частоте следования импульсов, Т₁ — период последовательности импульсов; в — воспроизведенная форма сигнала при высокой частоте следования импульсов, Т₂ — период последовательности импульсов.

Амплитуда каждого импульса в модулированной последовательности зависит от мгновенного значения аналогового сигнала. Синусоидальный сигнал может быть восстановлен из последовательности модулированных импульсов путем простой фильтрации. На рис. 8, б графически показан процесс восстановления первоначального сигнала путем соединения вершин импульсов прямыми линиями. Однако восстановленная на рис. 8, б форма колебаний не является хорошим воспроизведением первоначального сигнала из-за того, что число импульсов на период аналогового сигнала невелико. При использовании большего числа импульсов, т. е. при большей частоте следования импульсов по сравнению с частотой модулирующего сигнала, может быть достигнуто более лучшее воспроизведение (рис. 8, в). Этот процесс амплитудно-импульсной модуляции (АИМ), относящийся к модуляции поднесущей последовательности импульсов, может быть выполнен путем выборки аналогового сигнала через постоянные интервалы времени импульсами выборки с фиксированной длительностью. Импульсы выборки — это импульсы, амплитуды которых равны величине первоначального аналогового сигнала в момент выборки. Частота выборки (число импульсов в секунду) должна быть по крайней мере в два раза большей, чем самая высокая частота аналогового сигнала. Для лучшей воспроизводимости частота выборки обычно устанавливается в 5 раз большей самой высокой частоты модуляции.

АИМ является только одним типом импульсной модуляции. Кроме него существуют:

ШИМ — широтно-импульсная модуляция (модуляция импульсов по длительности);

ЧИМ — частотно-импульсная модуляция;

КИМ — кодово-импульсная модуляция.

Широтно-импульсная модуляция преобразует уровни выборок. напряжений в серии импульсов, длительность которых прямо пропорциональна амплитуде напряжений выборок (рис. 9, а). Отметим, что амплитуда этих импульсов постоянна; в соответствии с модулирующим сигналом изменяется лишь длительность импульсов. Интервал выборки — интервал между импульсами — также фиксирован.

Частотно-импульсная модуляция преобразует уровни выборок напряжений в последовательность импульсов, мгновенная частота которых, или частота повторения, непосредственно связана с величиной напряжений выборок. И здесь амплитуда всех импульсов одинакова, изменяется только их частота. По существу все аналогично обычной частотной модуляции, лишь несущая имеет несинусоидальную форму, как в случае обычной ЧМ; она состоит из последовательности импульсов.

Кодово-импульсная модуляция преобразует выборки напряжения в кодированное сообщение. К примеру, дискретный уровень, равный 5,5 В, может быть представлен двоичным числом 101.101=5,5 с помощью аналого-цифрового преобразователя. Кодовое сообщение 101.101 представляет собой некоторую выборку напряжения V_s. Подобным кодированием (в данном случае двоичным кодом) преобразуют каждую выборку. Последовательность таких кодовых сообщений представляет собой серию чисел, описывающих последовательные выборки. Код может быть любым: двоичным с шестью разрядами, как представленный выше, или двоичным кодом с N разрядами, или двоично-кодированным десятичным и т. д. (рис. 7).

Рис. 9. Широтно-импульсная модуляция.

Приведенные выше модуляционные схемы — лишь некоторые представители большого числа используемых методов. Подчеркнем, что рассмотренная здесь ИМ-модуляция относится к модуляции поднесущей, т. е. модуляции последовательности импульсов, которые затем используются в системах AM или ЧМ. Речь идет о двух следующих друг за другом модуляциях. Во-первых, информация модулирует последовательность импульсов. Здесь может быть использована АИМ, ШИМ, ЧИМ, КИМ или любой другой вид модуляции. Во-вторых, содержащая информацию поднесущая модулирует синусоидальную несущую.

Частотно-импульсная модуляция синусоидальной несущей приводит к _н -девиации частоты несущей скачкообразным отклонением от несущей. Например, частотная модуляция логических уровней «0» и «1» (0 В и 5В) дает две частоты — _н (для логического уровня «0») и _н+_н (для уровня «5»). По существу, мы просто сдвигаем частоту несущей от к _н+_н для изображения логического уровня «1». Этот тип частотной модуляции называется также и частотной манипуляцией и обычно используется в передаче сигналов с помощью телеграфа и других цифровых устройств связи. Для восстановления логических уровней из частотно-манипулированной несущей может быть использована цепь фазовой автоподстройки (ФАП).

Методы импульсной модуляции очень широко распространены в приложениях телеметрии.

резонансный усилитель модуляция импульсный

3. Усилители радиосигналов различных диапазонов

Усиление сигналов в приемнике может происходить до преобразователя частоты, т. е. на принимаемой частоте, и после преобразователя — на промежуточной частоте. Усиление на частоте принимаемого сигнала осуществляется с помощью УРЧ. Кроме усиления должна обеспечиваться и частотная избирательность. Для этого усилители содержат резонансные нагрузки или частотно-избирательные элементы межкаскадной связи. Диапазонные УРЧ должны иметь контуры с переменной настройкой. Они чаще всего выполняются одноконтурными. В диапазонах умеренно высоких частот АЭ усилителя служат полевые или биполярные транзисторы в дискретном или интегральном исполнении. Первые каскады приемников рекомендуют выполнять на ПТ, так как при этом реализуются их преимущества: малый коэффициент шума, большое входное сопротивление, высокая линейность усиления. В УПЧ предпочтение отдается БТ вследствие обеспечения ими более высокого коэффициента усиления. На СВЧ помимо транзисторных могут применяться также ППУ и туннельные усилители.

К основным параметрам резонансных усилителей относятся коэффициент усиления, избирательность, коэффициент шума, искажения сигнала и устойчивость, т. е. способность усилителя сохранять в процессе эксплуатации основные свойства и характеристики.

Усилитель радиосигнала (УРС) в современном приемнике служит для:

1) уменьшения коэффициента шума приемника с целью достижения требуемой чувствительности;

2) обеспечения вместе с ВЦ заданной избирательности в радиотракте;

3) усиления радиосигнала до уровня, обеспечивающего хорошую работу детектора в приемнике прямого усиления. Если от приемника не требуются высокая чувствительность и хорошая избирательность в радиотракте, то УРС можно не применять, так как он достаточно сложен в изготовлении, имеет высокую стоимость и большие размеры.

В приемниках с переменной настройкой УРС, как правило, состоит из каскадов по одному колебательному контуру, настраиваемому на несущую частоту принимаемого сигнала. Применение более сложных избирательных систем (связанных колебательных контуров) в УРС с переменной настройкой обычно бывает нецелесообразным, так как они значительно увеличивают габариты и стоимость приемника. Однако в приемниках с фиксированной настройкой сложные избирательные системы находят применение. Усилители радиосигналов можно классифицировать по следующим признакам. В зависимости от типа усилительного прибора они могут быть: транзисторными, ламповыми, с параметрическими или туннельными диодами и т. п. По диапазонным свойствам УРС разделяются на усилители с переменной и постоянной настройкой. Кроме того, они могут быть однокаскадными и многокаскадными. В современных радиовещательных и радиолюбительских приемниках чаще всего в качестве УРС применяют однокаскадные резонансные усилители.

Литература

1. Коновалов. Г. Ф. Радиоавтоматика: Учебник для вузов. — М.: Высш.шк., 2000.

2. Радиоавтоматика: Учеб. пособие для вузов./ Под ред. В. А. Бесекерского.- М.: Высш. шк., 2005.

3. Первачев. С. В Радиоавтоматика: Учебник для вузов.- М.: Радио и связь, 2002.

4. Цифровые системы фазовой синхронизации/ Под ред. М. И. Жодзишского — М.: Радио, 2000