Цифровой передатчик низовой радиосвязи

 

Содержание

Введение4

1 Выбор и обоснование  структурной схемы передатчика  6

2 Разработка функциональной  схемы 8

3 Расчет параметров функциональных  узлов передатчика 10

4 Разработка электрической  принципиальной схемы передатчика  12

4.1 Выбор  модулятора14

4.2 Выбор  микроконтроллера14

4.3 Выбор  последовательного интерфейса связи16

4.4 Устройства  ввода/вывода18

4.5 Усилитель  мощности20

4.6 Выходная  колебательная система21

5 Техническое описание  передатчика 22

6 Электрический расчет  оконечного каскада усилителя  мощности 23

Заключение 27

Список литературы 28

Приложение А Цифровой модулятор AD995730

Приложение Б Микроконтроллер ADSP-BF53333

Приложение В Последовательный порт RS-48538

Приложение Г Дисплей WH0802A39

Приложение Д Расчет параметров работы транзистора40

 

 

Приложение Е Расчет параметров согласующих индуктивных и емкостных элементов41

Приложение Ж Расчет ВКС 42

 

Введение

 

В любой системе связи есть радиопередающее устройство, которое предназначено для преобразования энергии постоянного тока источников питания в электромагнитные колебания, а также для управления созданными колебаниями. На сегодняшний день уже совершенно ясно видно, что развитие радиопередатчиков напрямую коррелирует с развитием элементной базы. Широкое применение в современных передатчиках цифровых и аналоговых интегральных микросхем позволяет уменьшить размеры устройств, а также облегчить их настройку и управление. Применение квантовых генераторов и синтезаторов частоты позволяет серьезно увеличить стабильность несущих высокочастотных составляющих.

Сегодня перед разработчиками современных радиопередатчиков стоят такие требования, как мобильность, низкая стоимость, малые размеры, большой коэффициент полезного действия, высокая стабильность частоты, возможность передачи телеграфных сообщений и перестройки по частоте несущих высокочастотных колебаний.

Цель данной курсовой работы: разработка цифрового передатчика низовой радиосвязи.

В техническом задании подробно представлены все требования, необходимые для проектирования передатчика. Все шаги, для достижения поставленной цели курсовой работы последовательно описываются в нескольких частях, на которые разбит этот проект. В первой главе рассматриваются варианты структурных схем будущего устройства, в итоге, осуществляется выбор подходящей. Вторая глава содержит в себе подробное описание функциональной схемы разрабатываемого передатчика. В третьей главе рассчитываются параметры функциональных узлов передатчика, а также вычисляются требуемый общий коэффициент усиления для усилителя мощности и КПД ВКС. В четвертой главе происходит подбор интегральной элементной базы, используемой в проектируемом передатчике, с приведением основных параметров и структурных схем для каждого выбираемого устройств. Четвертая глава также содержит описание применяемого усилителя мощности и ВКС. В пятой главе проектируемый передатчик рассматривается с точки зрения условий эксплуатации аппаратуры. В шестой, заключительной, главе выполнен математический расчет оконечного каскада мощности и ВКС, вычислены значения элементов. В приложении к курсовой работе приведены необходимые материалы и информация, не попавшие в основной текст пояснительной записки.

Также приводятся необходимые чертежи структурной, функциональной и электрической принципиальной схем, выполненные соответственно на форматах А3, А2 и А1.

 

1 Выбор и обоснование структурной схемы передатчика

 

Варианты структурных схем, подходящих для реализации поставленной задачи приведены на рисунках 1.1 – 1.3

 

Рисунок 1.1

 

Рисунок 1.2

Рисунок 1.3

Проанализировав техническое задание и представленные схемы, можно заметить, что все они вполне подходят для достижения цели курсового проекта, однако выбрана была схема, приведенная на рисунке 1.1. Выбор можно объяснить тем, что она является наиболее простой для построения и имеет меньшее количество функциональных узлов, что положительно скажется на простоте дальнейшего проектирования.  
2 Разработка функциональной схемы

 

Разработанная и описанная в этой главе функциональная схема представлена в документе КНФУ.657110.690 Э2.

Исходный цифровой поток поступает на триггер Шмитта. Триггер Шмитта используется для восстановления цифровного сигнала, искаженного в линиях связи. Далее сигнал поступает на синхронный D-триггер (на вход D). Вместе с ним на вход С поступает сигнал синхронизации с тактового генератора, и после прихода активного фронта импульса синхронизации 
D-триггер открывается. Затем сигнал поступает через исключающее ИЛИ на входы двух D-триггеров, эта часть функциональной схемы изображена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1

В конечном итоге схема разделяет исходную последовательность двоичных символов на нечетные импульсы, которые подаются в квадратурный канал (Q), и четные, поступающие в синфазный канал (I). Стоит отметить, что работа триггеров синхронизируется с помощью генератора импульсов (кварцевого резонатора) с частотой 600 кГц, что позволяет обеспечить скорость передачи данных в 600 кбит/с.

Для управления полученными сигналами в заданном частотном диапазоне с необходимым шагом сетки (10 кГц) используется система прямого цифрового синтеза, которая с высокой точностью формирует требуемую несущую частоту на основе опорного сигнала. Работа системы обеспечивается использованием кварцевого резонатора на 25 МГц. Выбор этот обусловлен требованиями к нестабильности частоты. Используя делители и умножители частоты, мы делаем возможным формирование необходимых опорных и синхронизирующих частот.

 

Перестраивая опорную частоту определенным образом, блок прямого цифрового синтеза формирует синусоидальные и косинусоидальные колебания, записывая их после этого в память ПЗУ.

Затем в перемножителях сигналы I и Q смешиваются с необходимыми отсчетами, поступающими с ПЗУ, после этого сформировавшиеся сигналы идут в сумматор, где складываются в единый цифровой поток. Далее получившийся цифровой поток проходит цифро-аналоговое преобразование в четырнадцатиразрядном ЦАП и поступает на фильтр нижних частот. После ФНЧ аналоговый сигнал усиливается по мощности и поступает в выходную колебательную систему, предназначенную для установления заданного уровня побочных излучений, а также являющуюся согласующим звеном с выходным сопротивлением 10 Ом. После ВКС устанавливается передающая антенна, на которой формируется сигнал с требуемой по техническому заданию мощностью. 
3 Расчет параметров функциональных узлов передатчика

 

Расчет параметров функциональных узлов передатчика можно свести в нашем случае к заданию коэффициентов усиления для обеспечения требуемой мощности на выходе.

Общий коэффициент усиления:

Здесь необходимо учитывать, что выходная колебательная система вносит некоторое затухание, поэтому выходная мощность определяется следующим образом:

, где  - КПД ВКС.

КПД ВКС получается по следующей формуле для затухания δ:

, после чего определяется  КПД ВКС:

.

Рассчитаем необходимый коэффициент усиления при Iout = 31,6 мА,  
Uout = 0,5 В (выходные параметры ЦАП):

.

Для того, чтобы получить требуемый коэффициент усиления на заданных частотах, используется трехкаскадный усилитель мощности, каждый каскад строится на основе биполярного транзистора, подключенного по схеме с общим эмиттером. Коэффициенты усиления по каскадам распределяются следующим образом:

Kp1 = 8 раз;

Kp2 = 8 раз;

Kp3 = 8 раз.

Таким образом, сигнал по мощности будет усилен в 512 раз, что при учете дополнительных потерь в усилительных трактах и в ВКС с достаточным запасом обеспечивает необходимый общий коэффициент усиления.

 

 

4 Разработка электрической  принципиальной схемы передатчика

В процессе разработки электрической принципиальной схемы передатчика потребуется осуществить подбор следующих устройств:

- I/Q модулятор со встроенной системой прямого цифрового синтеза и ФАПЧ;

- микроконтроллер;

- интерфейс  связи с внешними устройствами;

- устройства  ввода/вывода;

- усилитель  мощности;

- выходная  колебательная система.

 

4.1 Выбор модулятора 

 

В рассмотрение будут взяты цифровые модуляторы фирмы Analog. Сравнительные характеристики некоторых из них приведены в таблице 4.1.

 

Таблица 4.1

Название	Тактовая частота работы	Выходная разрядность (бит)	Длина управляющего слова (бит)	I/O интерфейс
AD9959	500MHz	10bit	32bit	Serial
AD9957	1GHz	14bit	32bit	Serial
AD9910	1GHz	14bit	32bit	Parallel, Serial
AD9854	300MHz	12bit	48bit	-

 

Был выбран соответствующий всем требованиям к параметрам I/Q модулятор AD9957 с тактовой частотой работы 1 ГГц.

AD9957 обеспечивает функции универсального  квадратурного модулятора и быстродействующего  преобразователя с повышением  частоты для систем связи, в  которых особенно важны стоимость, габариты, потребляемая мощность и динамические характеристики. AD9957 представляет собой интегрированные в одном кристалле быстродействующий синтезатор прямого цифрового синтеза (DDS, direct digital synthesizer),высококачественный, быстродействующий 14-разрядный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), схему умножения частоты тактового сигнала, цифровые фильтры и другие функции цифровой обработки сигналов. Он обеспечивает перенос сигнала из полосы модулирующих частот (baseband) на более высокую частоту для передачи данных в проводных или беспроводных системах связи. Структурная схема AD9957 приведена на рисунке 4.1.

 

Рисунок 4.1 – Структурная схема AD9957

Условное графическое изображение и назначение контактов представлены в Приложении А.

 

 

4.2 Выбор микроконтроллера

 

Выбор микроконтроллера осуществляется с учетом того, чтобы обеспечивалось наличие достаточного количества портов для подключения модулятора, последовательного интерфейса, дисплея и клавиатуры.

Проведем анализ микроконтроллеров (сигнальных процессоров), выпускаемых компанией Analog. Основные их характеристики представлены в таблице 4.2. В рассмотрение возьмем семейство Blackfin, так как эти микроконтроллеры рекомендованы разработчиком для подключения к AD9957.

 

Таблица 4.2 – Сравнительная таблица выбора микроконтроллеров

 

Name	Clock Speed MHz (Max)	MMACS (Max)	L1 SRAM	External Memory Bus
ADSP-BF531	400 MHz	800	52 KBytes	16 bit
ADSP-BF532	400 MHz	800	84 KBytes	16 bit
ADSP-BF533	600 MHz	1500	148 KBytes	16 bit
ADSP-BF561	600 MHz	2400	-	32 bit

 

В данном случае выбор падает на микроконтроллер ADSP-BF533. Он характеризуется высокой частотой работы и достаточно большим количеством операций, выполняемых в секунду.

ADSP-BF533 - яркий представитель нового  семейства 16-разрядных процессоров Blackfin. Процессоры Blackfin обеспечивают  новый уровень производительности  и экономичности при обработке  сигналов и эффективности, в то  же время предлагая все преимущества 16/32-разрядных RISC-процессоров с архитектурой SIMD (одна команда - много данных). Процессоры Blackfin обладают высокопроизводительной  и однородной системой команд, которая позволяет одновременно  выполнять обработку сигналов  и выполнять функции микроконтроллера. Управляющие команды обычно могут выполняться в теневом режиме, когда процессор в основном занят задачами обработки мультимедийных сигналов.

Области применения: встроенные системы, высокопроизводительные и мало потребляющие устройства в области аудио, видео и коммуникаций. Портативные и сетевые медиаплееры, телематика в автоэлектронике, информационно-развлекательные системы и драйверы, спутниковая и наземная радиосвязь и вещание, а также сетевые системы безопасности.

Структурная схема ADSP-BF533 приведена на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 – Структурная схема ADSP-BF533

Микроконтроллер выполнен в корпусе 160-Ball CSP_BGA, номера контактов представлены в соответствующем для данного типа корпуса виде.

Назначение контактов представлено в Приложении Б.

 

 

 

4.3 Выбор последовательного  интерфейса связи

 

Было принято решение проводить выбор последовательного интерфейса связи из вариантов, предлагаемых компанией Analog Devices. Это связано с существенной поддержкой в области готовых схем-решений подключения представленных компанией Analog Devices интерфейсов к процессорам, производимым ей же, что обеспечит простоту в подключении в нашем случае.  Компания Analog Devices предлагает интерфейсы RS-232 и RS-485, из которых выбор пал в пользу второго, так как он обеспечивает более высокие скорости передачи данных и улучшенную надежность.

Наиболее типичная область применения приемопередатчиков RS-485 - это связь между программируемыми логическими контроллерами в промышленных условиях. Среди других типичных примеров применения - объединение кассовых терминалов в крупных магазинах или удаленные измерительные блоки. Компания Analog Devices предлагает большой выбор стандартных приёмопередатчиков RS-485/RS-422.

Сравнение параметров интерфейсов фирмы Аnalog Devices представлено в таблице 4.3.

 

Таблица 4.3 – Сравнительная характеристика RS-485