УДК 621.396.61

Выбор направления и постановка задач на проектирование

Закончив цикл статей по обозрению существующего положения в области проектирования РПДУ, являющихся основой для первой главы дипломного проекта (далее - ДП), мы приступаем к рассмотрению следующего раздела - выбор направления проектирования и постановка задач. Естественно до начала работы над ДП Вам необходимо составить и утвердить техническое задание на проектирование.

Пример оформления технического задания представлен ниже.

Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
(Наименование образовательного учреждения)
Кафедра «Наименование кафедры)»

Техническое задание
на дипломный/курсовой проект/работу

Студент:ФИО Группа (номер группы)
(фамилия, инициалы)
Тема проекта/работы:
«Проектирование тракта усиления КВ передатчика».
Утверждена приказом по факультету (наименование факультета) университета (института и т.п.)
от_______________ № _______________

1. Назначение работы

 Проект выполняется с целью (указывается цель разработки) разработки методики оценки шумовых характеристик полевых транзисторов и качественных характеристик выходной ступени тракта передачи в условиях рассогласования.

1. Исходные данные к проекту
1.  Диапазон рабочих частот от 3 до 30 МГц.
2. Передатчик должен обеспечивать усиление сигнала с ОМ и полосой от 300 до 3400 Гц стандартного телефонного канала.
3. Входной сигнал формируется синтезатором прямого синтеза на основе микросхемы DDS типа AD9857.
4. Уровень выходного сигнала DDS на нагрузке 50 Ом не менее 100 мВ.
5. Уровень нелинейных искажений входного сигнала не более минус 54 дБ.
6. Отношение сигнал/шум на выходе синтезатора при отстройке на ±10% относительно несущего колебания не менее 100 дБ.
7. Уровень сигнала возбуждения выходной ступени тракта передачи не менее 8 Вт на нагрузке 50 Ом.
8. Передатчик должен выделять в антенную систему номинальную мощность при КСВ в антенном фидере не более 2.
9. Пиковая мощность на выходе передатчика должна быть не менее 100 Вт. При работе на рассогласованную нагрузку допускается снижение выходной мощности на 3 дБ.
10. Отношение сигнал/шум на выходе передатчика при отстройке на ±10% относительно несущего колебания должно быть не менее 140 дБ.
11. Уровень гармонических составляющих выходного сигнала передатчика не должен быть более минус 40 дБ.
12. Допустимый относительный уровень нелинейных комбинационных искажений выходного сигнала не должен быть более минус 25 дБ.
13. Передатчик должен обеспечивать работоспособность при электропитании от стабилизированного источника постоянного тока с номинальным напряжением (27±1) В.

Примечание - 1) Для тестирования уровня нелинейных комбинационных искажений используется двухчастотный сигнал.
                     2) КСВ в антенном фидере обеспечивается внешним устройством согласования.

Перечень подлежащих разработке вопросов.

1.  Анализ тракта передатчика как объекта исследования.
2.  Определение требований к составным частям тракта передачи.
3. Предварительный расчет распределения нелинейных искажений и шумовых параметров по составным частям структурной схемы тракта передачи.
4. Разработка оценочной методики расчета коэффициента шума мощных полевых транзисторов.
5. Расчет коэффициента шума мощных полевых транзисторов.
6. Создание моделей функциональных узлов выходного каскада передатчика.
7. Создание модели выходного каскада передатчика и моделирование его работы.
8.  Оценка влияния рассогласования выходного каскада на его основные энергетические характеристики и нелинейные искажения.
9. Определение предельно допустимых значений коэффициента отражения в цепи нагрузки выходного каскада.
10. Экономическая часть проекта.
11. Безопасность и экологичность проекта.
 Перечень графического материала проекта.

1. Структурная схема передатчика.
2. Схема алгоритма расчета коэффициента шума мощных полевых транзисторов и сравнительная таблица шумовых параметров, определенных по методике с их паспортными значениями.
3. Распределение нелинейных комбинационных искажений и шумовых параметров по составным частям структурной схемы передатчика.
4. Принципиальная схема выходного каскада передатчика.
5. Результаты моделирования выходного каскада.
6.  Экономическая часть.

Дата выдачи задания:_______________________

Срок сдачи законченного проекта ____________ 

Задание принял к исполнению «хх »   xxxx  xxxx г.
________________________________________       ФИО
(подпись студента)
Руководитель дипломного проекта:                         ФИО
Консультант выпускающей кафедры:                      ФИО
Консультант кафедры экономики
и организации производства:                                    ФИО
Консультант кафедры БЖД:                                      ФИО
Нормоконтроль:                                                          ФИО
Заведующий выпускающей кафедры:                     ФИО

Технические требования, определенные настоящим примером технического задания будут являться исходными данными для проектирования и использоваться нами при описании следующих разделов проекта.

И так, закончив с разработкой и согласованием технического задания, мы приступаем к работе над проектом, а именно, к рассмотрению раздела "Выбор направления и постановка задач проектирования.

     1 Постановка задач раздела

Целью данного раздела является:

• анализ тракта РПДУ как объекта проектирования;
• выбор и описание структурной схемы РПДУ;
• определение требований к составным частям тракта передачи;
• расчет и распределение нелинейных искажений и шумов по каскадам структурной схемы тракта передачи.

     2 Анализ тракта передатчика как объекта проектирования

Из технического задания (далее - ТЗ) на дипломное проектирование и предыдущих обзорных статей , рассмотренных ранее, следует, что РПДУ должен состоять из трех основных составных частей.
Первой составной частью РПДУ является возбудитель, который в свою очередь состоит из двух основных блоков:

1. синтезатора сетки частот, построенного по принципу синтезатора прямого синтеза на основе микросхемы DDS типа AD9857 и формирующего высокочастотный ОМ сигнал с полосой 300…3400 Гц стандартного телефонного канала в диапазоне частот от 3 до 30 МГц и шагом 100Гц;
2. усилителя, формирующего сигнал возбуждения выходной ступени тракта передачи, с выходной мощностью  не менее 8 Вт, измеренной на эквиваленте нагрузки 50 Ом.

Уровень выходного сигнала синтезатора, его нелинейных искажений и шума определяется заданным типом микросхемы синтезатора, определенным ТЗ .
На этапе анализа синтезатора необходимо провести оценку соответствия выходных параметров, установленного типа микросхемы синтезатора, требованиям ТЗ:

1. по диапазону рабочих частот;
2. уровню выходного сигнала;
3. нелинейным и шумовым ее характеристикам.

 Полученные результаты анализа выходных параметров синтезатора будут являться исходными данными для дальнейшего расчета по определению требований к следующей составной части возбудителя- его усилителю.

На этапе анализа усилителя возбудителя необходимо:

1. определить количество каскадов усиления, необходимых для обеспечения заданной ТЗ выходной мощности возбуждения выходного каскада тракта передачи;
2. выполнить покаскадное распределение коэффициента усиления, нелинейных и шумовых характеристик по тракту передачи.

Второй составной частью РПДУ должна быть оконечная ступень тракта передачи, состоящая из двух основных блоков:

1. усилителя мощности с пиковой выходной мощностью не менее 100 Вт, измеренной в тракте с волновым сопротивление 50 Ом и допустимым значением КСВ  не более 2;
2. фильтра гармоник, обеспечивающего подавление гармонических составляющих выходного сигнала передатчика не менее чем на 40 дБ.

На этапе анализа усилителя мощности необходимо провести определение количество каскадов усиления, необходимых для обеспечения заданной ТЗ выходной мощности РПДУ и выполнить  распределение усиления, нелинейных и шумовых характеристик.

При анализе фильтра гармоник необходимо выбрать структуру фильтра, обеспечивающую заданное подавление гармонических составляющих выходного сигнала усилителя мощности.

Третьей составной частью РПДУ являются внешние блоки, которые могут быть заимствованы от других аналогичных по назначению и удовлетворяющих требованиям по электрическим параметрам изделий. К таким блокам относятся:

1. антенно-фидерная система, состоящая из фидера  с волновым сопротивлением 50 Ом, согласующего устройства и собственно антенны;
2. блок электропитания, обеспечивающий РПДУ стабилизированным напряжением постоянного тока с уровнем 27 В.

На этапе анализа внешних (заимствованных) блоков должны быть определены требования к этим блокам, позволяющие оценить возможность их применения в составе РПДУ и необходимость доведения их выходных параметров до требований, позволяющих выполнить требования к проектируемому РПДУ.

     3 Выбор и описание структурной схемы РПДУ

Общая структурная схема РПДУ, соответствующая выше приведенному анализу, изображена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Общая структурная схема РПДУ

Информационный сигнал, подлежащий передаче по радиоканалу, сформированный устройством А1, поступает на модуляционный вход синтезатора сетки частот А2.1 возбудителя А2. С выхода синтезатора А2.1 однополосный модулированный высокочастотный сигнал с уровнем 0,1 В (0,2 мВт на нагрузке 50 Ом) поступает на широкополосный усилитель А2.2 возбудителя, который усиливает его до мощности 8 Вт, достаточной для возбуждения усилителя мощности А4.1 оконечной ступени тракта передачи РПДУ А4.

На выходе усилителя мощности А4.1 высокочастотный сигнал с уровнем мощности не менее 120 Вт (с учетом производственного запаса на потери в фильтрующих устройствах) поступает на модуль фильтров гармоник А4.2
Фильтр гармоник обеспечивает подавление гармонических составляющих в спектре выходного сигнала усилителя мощности А4.1 до уровня не менее чем 40 дБ. Сигнал с выхода модуля фильтров гармоник поступает через фидер А5 с волновым сопротивлением 50 Ом на согласующее устройство А6, обеспечивающее приведение входного импеданса антенны А7 к стандартному волновому сопротивлению фидера А5 с максимальным КСВ, не превышающим 2 согласно ТЗ.

      4 Определение требований к составным частям тракта передачи

По техническому заданию высокочастотный сигнал, модулированный информационным сигналом, формируется синтезатором прямого синтеза на основе DDS типа AD9857 (далее - DDS). Данный синтезатор предлагается заказчиком для использования в проектируемом изделии в виде готового модуля.

Для проведения анализа тракта передачи необходимо провести анализ характеристик сигналов, обеспечиваемых предложенным синтезатором.Из [1] следует, что предлагаемый синтезатор обеспечивает формирование высокочастотных сигналов в диапазоне от 1 до 80 МГц.
Относительный уровень нелинейных комбинационных искажений выходного сигнала на выходе DDS  на рабочих частотах до 30 МГц составляет минус 67 дБ при полностью использованном динамическом диапазоне ЦАП и минус 54 дБ при ослабленном на 18 дБ уровне выходного сигнала.
Уровни комбинационных искажений в спектре выходного сигнала DDS в зависимости от отстройки изображены на рисунке 2 [1].




Рисунок 2 – График зависимости уровня комбинационных искажений
на выходе DDS от отстройки относительно несущего колебания

Уровень выходного сигнала DDS Uвых, согласно [1], пересчитанный к нагрузке 50 Ом, составляет (100…150) мВ (0,2 мВт на нагрузке 50 Ом) при нелинейных искажениях К21 DDS, находящихся в пределах:

(1)

Уровень шумовых колебаний PN/Гц (дБ/Гц) на выходе синтезатора имеет значение [1] от минус 107до минус 145 дБ/Гц (2).

Согласно [2] уровень шумовых колебаний должен оцениваться в контрольной полосе, равной /\Fк= 3 кГц (3).

Расчет уровня уровня шумовых колебаний на выходе синтезатора в требуемой контрольной полосе /\Fк проводим по формуле из [3]:

(4)

Значение минус 110,3 дБ соответствует отстройке от несущей частоты на ±10%. Из расчета следует, что уровень шумовых излучений на выходе синтезатора значительно превышает требуемое значение уровня шумов на выходе изделия (минус 140 дБ).

Следовательно,  для выполнения заданных требований по уровню шумовых излучений необходимо введение фильтра дополнительной селекции (ФДС) с параметрами, которые могут быть определены после анализ  всех составных частей тракта усиления РПДУ. При этом для реализации фильтрующих свойств необходимо определить место включения ФДС в тракт передачи, в котором уровень шумовых составляющих сигнала на входе устройства превышал бы уровень шума его пассивных элементов, т.е. шумы определялись бы только шумовыми составляющими входного сигнала.

Продолжение следует в следующей статье.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представлен пример оформления технического задания на проектирование тракта усиления КВ передатчика. Выполнена постановка задач раздела "Выбор направления проектирования и постановка задач". Проведены анализ тракта передатчика как объекта проектирования, выбор и описание структурной схемы РПДУ. Начато рассмотрение вопросов определения требований к составным частям тракта передачи. Выполнен анализ технических характеристик синтезатора возбудителя РПДУ.

  СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. CMOS 200 MSPS 14-Bit Quadrature Digital Upconverter AD9857. ANALOG DEVICE, http://www.analog.com, © 2004 Analog Devices, Inc., p.46.
2. ГОСТ Р 51903-2002. Передатчики радиосвязи стационарные декаметрового диапазона волн. Основные параметры, технические требования и методы измерений. М, издательство стандартов, 2002, 48 с.
3. Joseph F. White. High Frequency Techniques/ An Introduction to RF and Microwave Engineering. New Jersey, IEEE PRESS, 2004, p.526.