62750 (Приёмник радиолокационной станции диапазона 800 МГц)

1. Введение и постановка задачи

1.1 Введение

Целью разработки данного проекта является показать соответствие степени подготовленности и объёма знаний студента квалификации радиоинженера. Ниже будет представлена разработка проекта приёмника радиолокационной станции (РЛС) дециметрового диапазона. Объём дипломного проекта не позволяет в полной мере рассмотреть все варианты решения задачи, поэтому будут рассмотрены лишь некоторые из них.

Разрабатываемый приёмник является составной частью радиолокационной системы. Кратко рассмотрим принципы её работы.

Радиолокацией называется обнаружение объектов и определение их пространственных координат и параметров движения с помощью радиотехнических средств и методов. Устройства, предназначенные для этого, называют радиолокационными станциями. Радиолокация бывает:

активная с пассивным ответом;

активная с активным ответом;

пассивная.

Так как активная радиолокационная система предусматривает существование, как приемника, так и передатчика, то различают активную радиолокационную систему совмещенную, когда приёмник и передатчик работают с общей антенной, а также разнесённую, когда приёмник и передатчик разнесены в пространстве и имеют собственные антенны. Разрабатываемый приёмник является частью совмещённой активной РЛС. Радиолокационный приёмник предназначен для усиления отражённых от целей сигналов РЛС и их фильтрации, при которой обеспечивается максимальное различение полезных сигналов и помех. К помехам относятся не только шумы, возникающие в радиолокационном приёмнике, но и сигналы, принимаемые от галактических источников, соседних РЛС и аппаратуры связи и, возможно, от источников преднамеренных помех. Часть собственной излучаемой РЛС энергии, которая рассеивается нежелательными целями (как, например дождь, снег, птицы, насекомые, атмосферные возмущения, дезориентирующие отражатели), можно также классифицировать как энергию помех.

Импульсные РЛС являются наиболее распространённый вид станций. Импульсная РЛС излучает энергию импульсами и принимает эхо-сигналы в промежутках между очередными излучениями. Большое преимущество этих РЛС заключается в том, что ни просачивающаяся энергия передатчика, ни очень сильные отражённые сигналы от расположенных на близких расстояниях местных предметов не поступают на вход приёмника одновременно со слабыми эхо-сигналами от дальних целей.

1.2 Требования к приёмнику РЛС

К приёмникам РЛС предъявляются более жёсткие требования, чем к приёмникам другого назначения. Многие РЛС являются частью стратегических комплексов обнаружения объектов. Вероятность достоверного обнаружения объектов в таких системах должна иметь по возможности большое значение.

Вероятность достоверного обнаружения объектов в первую очередь зависит от качества приёма. Под качеством приёма следует понимать такие параметры как:

чувствительность при заданном отношении сигнал/шум на выходе приёмника (на входе устройства обработки сигнала);

избирательность по частоте, благодаря которой возможен оптимальный (квазиоптимальный) приём эхо-сигнала на фоне помех;

устойчивость приёмника к воздействию сильных помех.

Во-вторых, достоверность обнаружения объектов зависит от качества обработки в устройстве обработки сигналов (УОС).

2. Технико-экономическое обоснование варианта реализации проекта

2.1 Составление эскиза схемы структурной приёмника

Ниже будет разработан эскиз структурной схемы приёмника, определены приблизительные параметры его узлов и каскадов, Окончательные величины параметров будут определены при их детальном расчёте.

В настоящее время на практике применяются различные по своей структуре и принципу действия схемы приёмников радиосигналов. Среди них подавляющее большинство создано по супергетеродинной схеме. Дело в том, что основное усиление в них происходит на пониженной частоте, называемой промежуточной, где проще реализовать устойчивое усиление без применения специальных мер. Относительная полоса частот, занимаемая эхо-сигналом, меньше, а это облегчает фильтрацию. Кроме того, частоту гетеродина в супергетеродинном приёмнике можно менять вслед за любым изменением частоты передатчика без подстройки фильтров промежуточной частоты.

Супергетеродинные приёмники имеют и недостатки. Основным из которых является наличие паразитных каналов приёма по соседнему каналу и по промежуточной частоте. С проявлением этих недостатков научились успешно бороться.

Основным составным узлом супергетеродинного приёмника, отличающим его от многих других приёмников, является преобразователь частоты. Его назначение - перенос спектра радиосигнала из области высоких частот в область более низких (за исключением диапазона длинных волн). Там, на более низкой частоте, называемой промежуточной, происходит основное усиление и частотная избирательность. В простейшем случае преобразование спектра происходит с использованием вспомогательного маломощного перестраиваемого генератора, называемого "гетеродином". Преобразователь частоты представляет собой активный или пассивный элемент с нелинейной передаточной характеристикой. Принцип преобразования основан на влиянии колебаний гетеродина на коэффициент передачи преобразовательного элемента. В результате чего на выходе преобразователя появляются составляющие с частотами, представляющие различные комбинации и сочетания частоты радиосигнала и частоты гетеродина. Из всех комбинаций с помощью избирательной системы выделяются полезные составляющие, которые и обрабатываются в дальнейшем.

Преобразователю зачастую предшествует малошумящий усилитель высокой частоты. Применение малошумящего усилителя перед преобразователем позволяет увеличить отношение сигнал/шум. Связано это с тем, что даже при применении в усилителе и в преобразователе малошумящих усилительных элементов шумы преобразователя превышают шумы усилителя в 3…5 раз [2]. Решение, о применении или нет усилителя радиочастоты, будет принято ниже после эскизного расчёта шумовых свойств узлов приёмника.

Сигнал, перемещённый преобразователем в область низких частот со средней частотой, равной промежуточной, подвергается усилению и более глубокой фильтрации в избирательном усилителе промежуточной частоты (УПЧ).

Так как в фидере снижения может поглощаться (теряться) значительная часть энергии, то преобразователь стараются устанавливать рядом с антенной перед фидером. Фидеру снижения при этом предшествует предварительный усилитель промежуточной частоты (ПУПЧ). Тогда остальные каскады УПЧ именуют главным УПЧ (ГУПЧ). Усиленный предварительным УПЧ сигнал передаётся по фидеру снижения к главному УПЧ. Это позволяет увеличить отношение сигнал/шум на выходе приёмника. Конструктивно УВЧ, преобразователь с гетеродином и предварительный УПЧ, выполняют в виде единого блока и называют "высокочастотной головкой". Очевидно, что применение "высокочастотной головки" рядом с антенным устройством ведёт к усложнению конструкции и применяется только в крайнем случае с целью получить максимальную чувствительность.

Усиленный сигнал детектируется и поступает на предварительный видеоусилитель. Здесь происходит усиление видеоимпульсов до амплитуды, необходимой для нормальной работы устройства обработки сигналов (УОС). Динамический диапазон входных радиоимпульсов составлять десятки децибел. Динамический диапазон выходного сигнала намного меньше. Для сжатия динамического диапазона применяется система автоматической регулировки усиления АРУ, а также специальные типы усилителей. Усилители имеющие логарифмическую зависимость выходного напряжения от входного называются логарифмическими. В настоящее время в приёмниках радиолокационных станций, предназначенных для обнаружения объектов применяются именно логарифмические усилители. Приёмники радиолокационных станций сопровождения объектов имеют АРУ. Частота передатчика, как правило, имеет большую долговременную нестабильность. Частота простого нетермостатированного гетеродина также непостоянна. Без применения автоматической подстройки частоты гетеродина пришлось бы расширять полосу пропускания УПЧ. А это приведёт к увеличению принимаемых шумов и уменьшению отношения сигнал/шум на выходе приёмника. Предусматриваю АПЧГ, особенностью которой является поддержание постоянным разницы между частотой гетеродина и частотой передатчика.

Рисунок 2.1 Схема структурная приёмника.

2.2 Предварительный расчёт параметров узлов схемы структурной приёмника

2.2.1 Определение распределения времени нарастания импульса tн по цепям приёмника

Принимаемый радиосигнал имеет практически прямоугольную форму. Спектр такого радиоимпульса широко изучен. Приём сигнала вёдётся на фоне шумов, которые являются помехами. Часть характеристик ожидаемого сигнала известны. Согласно теории об оптимальной фильтрации теоретически может существовать фильтр, который обеспечивает максимально возможное отношение сигнал/шум на выходе. Такой фильтр называют оптимальным по отношению к принимаемому сигналу.

Буду считать, что отражённые радиоимпульсы следуют со сравнительно большим интервалом. Переходные процессы в колебательных контурах от воздействия на них предыдущего радиоимпульса заканчиваются ещё до прихода следующего. Тогда их можно рассматривать как одиночные.

Комплексная передаточная характеристика K(j) оптимального фильтра является "вывернутой на изнанку" по отношению к комплексному спектру принимаемого сигнала S(j), или говоря строго математически комплексно сопряжённой:

K(j) =S*(j),(2.1)

где S*(j) - комплексно сопряжённая функция по отношению к S(j).

Реальный спектр радиоимпульса бесконечен. Оптимальный фильтр для такого радиоимпульса должен аналогично обладать бесконечно широкой АЧХ. На практике реализовать такой фильтр, разумеется, невозможно. Даже попытка создать его при использовании ограниченного спектра радиоимпульса приводит к резкому усложнению. Поэтому применяют квазиоптимальный фильтр, который сочетает в себе отчасти свойства оптимального фильтра, а также простоту реализации. При этом отношение сигнал/шум меньше, чем при применении оптимального фильтра. Однако уменьшение отношения сигнал/шум может быть незначительным и в большинстве случаев окупается простотой реализации такого фильтра. Так, при применении в качестве квазиоптимального фильтра полосового фильтра с полосой пропускания

,

для фильтрации прямоугольного радиоимпульса длительностью τИ, уменьшение отношения сигнал/шум по сравнению с максимально возможным значением составляет всего лишь 17% (см. табл. 2 с 164 [4]).

В техническом задании не задано время установления (нарастания) импульса, поэтому его значение следует выбрать в диапазоне (0,2-0,8) и.

С целью повышения отношения сигнал/шум следует выбирать большее значение, однако при этом уменьшится точность определения расстояния до цели. Таким образом, время нарастания импульса в приёмнике:

(2.2)

В соответствии с оптимальными соотношениями распределение времени нарастания импульса tн по цепям приёмника распределяются следующим образом.

В тракте высокой частоты:

(2.3)

В детекторе:

(2.4)

В видеоусилителе:

(2.5)

После подстановки:

tн твч=0,9410-6=3,610-6с

tн дет=0,27410-6=1,0810-6с

tн ву=036410-6=1,4410-6с

2.2.2 Определение полосы пропускания приёмника

2.2.2.1 Полоса приёмника без учёта нестабильности частоты передатчика, частоты гетеродина и доплеровского смещения частоты:

(2.6)

2.2.2 2 Абсолютная нестабильность частоты гетеродина:

,(2.7)

где нст. ген. - относительная нестабильность частоты гетеродина, обычно для генераторов без термостабилизации нст. ген=(3…5) 10-4, принимаю нст. ген=510-4;