________________________________________________

Московский государственный авиационный институт

(Технический университет)

________________________________________________

Бакалов В.П., Белоусов Н.Н., Выборный В.Г

(под редакцией Протопопова А.С.)

Методические указания

по курсовому проектированию

радиоприемных устройств

(для дневной и вечерней форм обучения)

кафедра 407

Москва 1999

I. Введение.

Основная цель курсового проектирования - развить у студентов максимальную самостоятельность, творческое мышление и инициативу в работе.

При современном подходе проектирование сложных систем рассматривается как итерационный процесс. Справедливость такого подхода отчетливо проявляется при проектировании приемно-усилительных устройств. Процесс проектирования приемно-усилительных устройств представляет собой многоэтапную процедуру со множеством обратных связей. Каждый крупный этап включает в себя изготовление макета или образца устройства. Естественно, что курсовое проектирование как учебное не может полностью отразить все этапы реального проектирования приемного устройства, но студент при выполнении курсового проекта должен отчетливо представлять полный процесс проектирования. Важны инструментом, при проектировании приемно-усилительного устройства, являются методы автоматизированного проектирования, позволяющие не только ускорить процесс проектирования, но и получить качественно новые решения. В методических указаниях отражены методы автоматизированного проектирования и их место при проектировании приемно-усилительных устройств.

В методических указаниях приведены два примера заданий на курсовой проект с методикой выбора структуры приемника и определения требований к его функциональным узлам.

В приложениях к методическим указаниям содержатся правила и примеры выполнения и оформления курсового проекта, примеры заданий,

вспомогательные таблицы и графики. Приложения находятся в кабинете курсового проектирования.

В кабинете курсового проектирования имеется также аннотированный указатель литературы по курсовому проектированию радиоприемных устройств.

II. Проектирование приемных устройств

1. Общие приемы проектирования

Радиоприемники представляют собой сложные системы, поэтому их проектирование является задачей, которая не имеет однозначного решения. Исходные данные для проектирования содержатся в техническом задании (ТЗ).

Процесс проектирования радиоприемника состоит из двух основных этапов: этапа эскизного проектирования и этапа технического проектирования. Каждый из этих этапов может содержать два подэтапа: предварительное и окончательное проектирование. Крупные этапы проектирования делятся на ряд мелких этапов (рис. 1).

Этап эскизного проектирования включает в себя: выбор и обоснование структурной схемы приемника (синтез структуры), анализ приемника, оптимизацию его параметров, проектирование отдельных функциональных звеньев и электрических схем, конструктивную проработку, машинные и натурные эксперименты.

Рис. 1. Этапы проектирования

Эскизное проектирование отдельных функциональных звеньев приемника и принципиальных электрических схем содержит такие же этапы, как и эскизное проектирование приемника.

В целом этап эскизного проектирования заканчивается выпуском макетов приемника.

Этап технического проектирования радиоприемника включает в себя : разработку и выпуск технической документации для производства опытной серии, а затем для серийного выпуска приемника. Основой для выполнения этапа технического проектирования является эскизный проект.

Подробно задачи технического проектирования радиоприемника в настоящем пособии не рассматриваются. При выполнении курсового проекта проектирование радиоприемника ограничивается элементами этапа эскизного проектирования.

Рассмотрим кратко основные особенности процесса эскизного проектирования радиоприемника.

Рис. 2. Модель процесса эскизного проектирования.

Характерны моментом процесса проектирования является необходимость возвращения к предыдущим этапам. Так, например, в процессе эскизного проектирования приемника при его моделировании возможно многократное возвращение к вопросам уточнения его структуры, математического описания, дополнительного теоретического анализа. Процедура оптимизации параметров его звеньев сама по себе предусматривает возвращение в той или иной степени к о всем предыдущим этапам.

Таким образом, проектирование радиоприемника происходит путем последовательных приближений к желаемому результату. Или, как говорят, процесс носит итеративный характер.

Этапы проектирования радиоприемника можно представить с помощью структурной схемы (рис. 1, 2). Отметим, что итеративный характер процесса проектирования распространяется также на техническое задание, т.е. замысел может изменяться (уточняться) под влиянием процесса проектирования.

Вторая существенная особенность процесса проектирования состоит в том, что каждая итерация (на любом уровне) заканчивается принятием решения, при этом решение всегда принимается в условиях неопределенности, так как оно представляет собой процесс выбора одного или нескольких предпочтительных вариантов из множества возможных (несколько вариантов выбирается, как правило, только на стадии предварительного эскизного проектирования). Именно эта неопределенность является прежде всего причиной неоднозначности результата проектирования. Поэтому вторым существенным свойством процесса проектирования является неоднозначность результата.

2. Содержание технического задания на проектирование приемника.

Приемник в радиотехнической системе предназначен для преобразования радиосигнала в сообщение.

Основной характеристикой приемника является качество воспроизведения сообщения. С количественной точки зрения качество воспроизведения сообщения может характеризоваться по-разному. На качество воспроизведения сообщения влияют различного рода помехи и искажения в элементах радиоприемных устройств

Такие характеристики, как точность воспроизведения сообщений или вероятность ошибочного решения, связаны с отношением сигнала к аддитивному шуму в полосе пропускания приемника. Эти зависимости определены в настоящее время для весьма большого количества разнообразных случаев приема. Часть из них в виде формул и графиков приведена в приложениях к пособию. Зная заранее требуемые точности или вероятности ошибок при воспроизведении сообщений с помощью этих зависимостей для конкретных случаев приема, можно определить необходимое отношение сигнала к шуму и, следовательно, необходимую реальную чувствительность приемника. Сведения о требуемой точности или о допустимых вероятностях ошибок содержатся в ТЗ.

Существенное влияние на качество воспроизведения сообщений оказывают мультипликативные (модулирующие) помехи. Для борьбы с ними в приемниках применяются различные методы, в частности автоматические регулировки. В ТЗ содержатся необходимые данные для проектирования автоматических регулировок и других устройств для борьбы с указанными помехами.

В техническом задании имеются сведения о характере всех предполагаемых помех и задаются требования по помехоустойчивости приемника по отношению к ним, например частотная, пространственная и временная избирательность.

В техническом задании задаются также требования по допустимому уровню линейных и нелинейных искажений сообщения, перекрестных искажений в приемниках дискретных систем передачи информации.

Моменты, которые оказывают существенное влияние на качество воспроизведения сообщения, определяют основное содержание технического задания на проектирование приемника. Вместе с тем в техническое задание включаются такие данные, которые не оказывают непосредственного влияния на качество воспроизведения сообщения. Это такой набор данных, с помощью которого осуществляется как бы привязка проектируемого приемника к условиям работы всей радиосистемы. Это данные о рабочем диапазоне частот, о наборе промежуточных частот, способ модуляции, число каналов, способ перестройки по диапазону и т.д. Ряд исходных требований технического задания связан с конструктивной и эксплуатационной стороной: масса, габариты, установочные размеры, климатические условия, устойчивость к механическим перегрузкам. Часто в техническом задании накладываются ограничения на типы применяемых активных и других элементов схем, на потребление энергии от источников питания. Задаются в техническом задании также требования по надежности работы приемника, накладываются ограничения на стоимость разработки и себестоимость приемника при его серийном производстве. Техническое задание может включать и ряд других требований, например требования по внешнему оформлению, по расположению элементов управления и т.д. Набор исходных данных в задании на курсовое проектирование существенно ограничен. Ограничен также и объем выполняемых работ, который в процессе выполнения работ может корректироваться ведущим преподавателем. В приложениях приведены примеры заданий на курсовой проект, рассматривается порядок выполнения типовых проектов, указан необходимый минимум работ.

3. Порядок проектирования приемника.

Общие положения.

Проектирование радиоприемника начинается с выбора и обоснования его общей структуры. Этот этап в настоящее время в типичных ситуациях не вызывает особых затруднений.

В результате накопленного опыта разработки общая структура приемника может быть определена практически сразу. На рис. 3 показана типовая структура супергетеродинного приемника с однократным преобразованием частот. Такая структура лежит в основе построения большинства современных радиоприемников. В настоящем пособии вопросы проектирования приемника будут рассматриваться применительно к этой схеме.

Следующим шагом является определение требований к основным элементам приемника: определение общего коэффициента усиления и его распределение по отдельным частям приемного тракта, определение полосы пропускания и избирательности радиоприемного устройства вцелом и отдельных его частей, определение их шумовых свойств.

На этом шаге устанавливаются рабочие частоты элементов приемного тракта, требования к АРУ и АПЧ. При необходимости производится моделирование приемника или отдельных его частей на ЦВМ и оптимизация параметров его блоков.

Рис. 3. Структурная схема приемника с однократным преобразованием частоты:

А - антенна; ВЦ - входная цепь; УВЧ - усилитель высокой частоты; СМ - смеситель; Г - гетеродин; ПУПЧ и ГУПЧ - предварительный и главный усилители промежуточной частоты; ДМ - демодулятор; БНЧ - блоки низкой частоты; И - индикатор сообщения; АРУ - автоматическая регулировка усиления; АПЧ - автоматическая подстройка частоты гетеродина.

Исходными данными для решения задач этого этапа являются сведения в техническом задании по чувствительности, динамическому диапазону входного сигнала, уровню выходного сигнала, стабильности частоты сигнала, а также сведения о рабочем диапазоне частот, способе модуляции и частотных свойствах сообщения, о требуемом качестве воспроизведения сообщения. По результатам этого шага уточняется структура приемника, в частности выясняется необходимость применения УВЧ или ПУПЧ, необходимость в дополнительных преобразованиях частоты, в автоматических регулировках и т.д. Рассмотренный этап включает в себя по существу синтез структуры приемника в целом, его анализ и определение требований к функциональным звеньям.

Следующий этап - это проектирование отдельных функциональных звеньев приемника. Проектирование каждого звена начинается с определения его структуры, затем структуры его отдельных составляющих и так далее, вплоть до проектирования принципиальных электрических схем. Детально проектирование функциональных звеньев приемника, электрических схем рассматривается в пособиях, список которых приведен в указателе литературы. Отметим, что при проектировании отдельных функциональных звеньев на этапе синтеза их структуры широко применяется методы статистического синтеза.

Особенно это касается вопросов синтеза структуры оптимальных и квазиоптимальных демодуляторов различных приемников, определения временных и частотных характеристик линейной части, синтеза структуры систем последетекторной обработки и т.д.

III. Автоматизация проектирования приемно-усилительных устройств.

Каждый этап проектирования приемно-усилительного устройства может выполняться с использованием ЭВМ. Одним из пунктов задания на курсовое проектирование может являться расчет и моделирование с помощью ЭВМ отдельных узлов, частей или всего устройства.