Модернизация технологии сборки программно-определяемого приемника с кварцевым гетеродином

1 2 3

---

Введение

Совершенно очевидно, что в мире передачи и обработки информации бал правит цифра. Микропроцессоры, сигнальные процессоры, персональные компьютеры – работа всех этих устройств основана на цифровой технике. Стремительный прогресс этой техники открывает новые пространства для изучения и пользования, к которым пользователи привыкают так быстро, что уже не отдают себе отчет в том, какими гибкими и мощными устройствами они пользуются. Возможно, некоторые пользователи даже не замечают, как эти устройства меняют их привычный образ жизни.

При использовании ПОР практически весь объем работ по обработке сигнала перекладывается на программное обеспечение, которое запускается на персональном компьютере или управляет работой некоторых конкретных специализированных микропроцессорных устройств, предназначенных для обработки сигнала. Цель такого подхода – создать систему, которая может принимать и передавать практически любые радиосигналы с помощью программного обеспечения, которое априори является гибким и адаптивным.

К сожалению, в настоящее время идеальная реализация ПОР возможна только на очень низких частотах (десятки килогерц), поэтому в реальных устройствах проблема высококачественной оцифровки принимаемых ВЧ сигналов решается их переносом на низкую частоту. Для этого используется смеситель и опорный генератор. Таким образом, требуется определенное аналоговое оборудование, чтобы направить часть спектра частот на обработку в компьютере.

Учитывая огромные возможности, которые заложены в ПОР, по-видимому, в ближайшем будущем эта технология займет доминирующее положение в технике радиосвязи.

1 Назначение, принцип действия прибора.

1.1 Выбор и описание структурной схемы устройства.

В идеальном ПОР — приемнике принятый антенной сигнал, спектр которого охватывает все радиочастоты, должен поступать непосредственно на быстродействующий аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с весьма широким динамическим диапазоном, а затем уже в виде потока дискретных кодов обрабатываться специализированным или универсальным цифровым процессором. Но с помощью персонального компьютера такой приемник пока реализовать нельзя. Вычислительной мощности этого компьютера недостаточно для обработки столь большого объема информации в реальном масштабе времени.

Один из возможных вариантов — установка между АЦП и компьютером специализированного скоростного вычислителя, фильтрующего поток цифровой информации и выделяющего из него только то, что относится к сигналам в значительно более узкой полосе частот, интересующей слушателя в данный момент. Только эта информация, объем которой соответствует возможностям персонального компьютера, передается в него для дальнейшей обработки. Выбор полосы частот для обработки производится цифровым способом, не требуется никаких аналоговых генераторов плавного диапазона, смесителей и фильтров.

В настоящее время большинство радиолюбителей реализует ПОР иначе. Для оцифровки они используют довольно низкочастотный, но имеющийся в каждом компьютере двухканальный (стерео) АЦП аудиокарты. Спектр высоко частотных (ВЧ) сигналов переносят в рабочую полосу частот этого АЦП с помощью аналогового блока смесителей, подобного применяемым в хорошо освоенных радиолюбителями приемниках прямого преобразования с фазовым подавлением нежелательной боковой полосы или зеркального канала приема.

Нужно сказать, что программная реализация фазового подавления значительно эффективнее аналоговой. В частности, она не требует кропотливой подборки элементов низкочастотного фазовращателя и устойчива к различным дестабилизирующим факторам. Обычная на сегодня структурная схема аналоговой части приемника ПОР выглядит как показано на рисунке 1.1.

Рисунок1.1 — Структурная схема ПОР приемника

 

Принимаемый сигнал частотой fC через не обязательный полосовой фильтр поступает на два смесителя, на который приходят гетеродинные сигналы с относительным сдвигом фазы на 900. Таким же получается относительный сдвиг фазы между низкочастотными продуктами преобразования на выходе электронных ключей смесителей. Ширину их спектра фильтры НЧ ограничивают сверху частотой около 20 кГц — она должна быть меньше половины частоты квантования этих сигналов АЦП аудиокарты компьютера .

Дифференциальные усилители взаимно вычитают противофазные сигналы (т.е. фактически суммируют их), образуя квадратурную пару сигналов, подаваемых для дальнейшей компьютерной обработки на стереовход аудиокарты.

 

При соответствующем программном обеспечении ПОР — приемник способен принимать и демодулировать практически любые сигналы с различными как аналоговыми (радиотелеграф (CW), однополосной (SSB), амплитудной (AM), частотной (FM)) так и цифровыми (радиолюбительский телетайп (RTTY), фазовая манипуляция (PSK)) видами модуляции.

Перестройка такого приемника по частоте производится изменением опорной частоты fГ. Верхний предел перестройки определяется в основном частотными свойствами применяемых элементов. Нижний ограничен наложением спектров сигналов на входе и выходе смесителя.

Если частота fГ неизменна, прием узкополосных  сигналов может вестись с программной перестройкой в полосе частот, практически равной частоте квантования. При необходимости  можно принимать одновременно несколько сигналов, лежащих  в этой полосе, если их спектры не перекрываются. Практически во всех программах SDR предусмотрен панорамный анализатор спектра.

1.2 Описание принципа работы устройства и анализ принципиальной схемы

Разрабатывая предлагаемую конструкцию, была поставлена цель создания по возможности простого и дешевого всеволнового КВ приемника с непрерывным диапазоном частот от 30 кГц до 65 МГц. Прежде всего предполагается разработать основную плату приемника в качестве предварительного усилителя и добавить к ней простой образцовый генератор, работающий на двух стабилизированных кварцевыми резонаторами частотах. Это даст возможность принимать сигналы в четырех полосах частот шириной по 48 кГц. В предлагаемой конструкции две из них лежат в любительском диапазоне 7 МГц, а еще две — в диапазоне 14 МГц.

Принципиальная схема предварительного усилителя приемника показана на рисунке 1.2. За её основу взята одна из предложенных известным радиолюбителем, пропагандистом SDR — аппаратуры Tasic Sinisa — Tasa (YU1LM/QRP). Это одна из его самых совершенных и продуманных конструкций. Внесены лишь несколько «косметических» изменений, исправлены некоторые неточности.

Фазорасщепитель и ключевой смеситель собранны на микросхемах DD1 — DD3 серии 74LVC. Это функциональные аналоги микросхем серии 74НС, имеющие существенно большее быстродействие. Например, триггер 74LVC74 может работать на частоте до 250 МГц, а электронные ключи 74LVC4066 замыкаться и размыкаться с частотой до 100 МГц, имея сопротивление в замкнутом состоянии около 5 Ом. Однако напряжение питания микросхем этой серии не должно превышать 3,6 В.

Четырехфазную последовательность импульсов, управляющих ключами, формирует узел на триггерах DD2.1 и DD2.2. Он может работать в режиме деления частоты fГ на четыре или на два. Переключатель коэффициента деления собран на элементах микросхемы DD1. При разомкнутом выключателе SA1 он равен четырем, а при замкнутых двум.

 

Первый режим — основной, он обеспечивает наиболее точный фазовый сдвиг управляющих импульсов на 00, 900, 1800 и 2700. Это обеспечивает подавление зеркального канала приема или нерабочей боковой полосы на 35…60дБ на частоте до 30 МГц. При делении частоты на два погрешность фазового сдвига определяется отклонением от двух скважности входных импульсов с частотой fГ. Обеспечить точное равенство длительности импульсов и пауз между ними на частоте в десятки мегагерц довольно сложно, поэтому достигаемое в этом режиме подавление зеркального канала намного меньше. Но помех на частоте выше 30 МГц тоже существенно меньше и избирательность по зеркальному каналу здесь не имеет большого

значения. Такое решение позволяет без излишних усложнений, доведя частоту fГ до 130 МГц, принимать сигналы с частотой 65МГц.

Дифференциальные усилители в двух квадратурных каналах приема построены на малошумящих ОУ NE5532D8, соответственно DA2.1, DA2.2, DA4.1 и DA3.1, DA3.2, DA5.1. В зависимости от положения переключателей SA2 и SA3 их выходные сигналы поступают на разъем XS2 и далее на аудиокарту  компьютера либо непосредственно, либо через дополнительные усилители на ОУ DA4.2 и DA5.2, увеличивающие уровень сигнала на 20 дБ. Это может быть полезно на частоте 20 МГц, где уровень шума эфира относительно невелик. Следует заметить, что поскольку переключатели SA2 и SA3 всегда должны находиться в одинаковых положениях, при повторении конструкции их необходимо заменить одним сдвоенным переключателем.

Практика показала, что в одном корпусе с платой приемника, очень чувствительного к магнитным наводкам, нельзя размещать трансформатор питания. Для защиты от них потребовался бы экран из мягкой стали толщиной в несколько миллиметров. Поэтому в предлагаемой конструкции будем использовать подключаемый к соединителю XS1 выносной адаптер питания напряжением 12В на ток не менее 150мА.

Для проверки работоспособности приемника к нему в качестве источника опорного сигнала fГ можно подключить любой генератор ВЧ сигналов амплитудой 1…1,5В. Необходимо учесть, что микросхему 74LVC86 легко повредить, если не принять мер, обязательных при соединении приборов, которые питаются от разных источников. В частности, все соединения необходимо производить при отключенном питании обоих устройств.

Чтобы принимать сигналы в любительских диапазонах 7 и 14 МГц, необходимо изготовить сдвоенный кварцевый генератор по схеме, показанной на рисунке 1.3. В зависимости от положения переключателя SA1 работает только один из генераторов. Именно его сигнал поступает на выход через элемент DD1.3. Если указанный выключатель разомкнут, значения частоты выбранного генератора должно быть в четыре раза больше желаемой центральной частоты полосы приема. Например, при частоте генератора 28328 кГц можно принимать сигналы в полосе 7058…7106 кГц. При замыкании упомянутого выключателя центральная частота приема увеличится вдвое. В рассматриваемом примере полоса приема переместится на частоты 14140…14188 кГц.

рисунок 1.3 — Принципиальная схема Кварцевого генератора.

 

Здесь могут быть использованы кварцевые резонаторы, возбуждающиеся как на первой, так и на третьей гармонике. Для их возбуждения на первой (основной) гармонике колебательные контуры L1C1 или L2C4 не требуются. А при использовании гармониковых кварцев резонансные частоты этих контуров должны быть близкими к частоте первых гармоник соответствующих резонаторов.

Большой точности настройки контуров не требуется, достаточно убедиться, что кварц возбуждается на нужной гармонике. Например для создания условий возбуждения кварцевого резонатора ZQ1 на третьей гармонике, равной 28328 кГц, можно использовать катушку индуктивности L1 6мкГн и конденсатор С1 47пФ.

Напряжение +3,3В для питания кварцевого генератора взято непосредственно с выходного вывода стабилизатора DA1 на плате приемника. Контактные площадки fГ и Общий генератора должны быть соединены с одноименными на основной плате приемника. Налаживание аппаратной части приемника заключается в балансировке каналов для достижения максимального подавления нерабочей боковой полосы. Для этого на соединитель XW1 необходимо подать сигнал от генератора, частота которого отстоит от центральной частоты приема (fГ/4 или fГ/2 в зависимости от положения выключателя SA1) на 5…15 кГц и амплитудой на 50…60 дБ выше уровня шума. На таком же удалении от центральной частоты, но с другой стороны от неё, на программном анализаторе спектра на экране компьютера будет виден сигнал, принимаемый по зеркальному каналу. Вращая движок подстроечного резистора R25 на плате приемника, нужно добиться минимальной амплитуды сигнала. Если положение подстроечного резистора не влияет на амплитуду, значит сигнал одного из квадратурных каналов не достигает входа аудиокарты. Возможны ошибки монтажа, неисправный операционный усилитель, обрыв или замыкание в разъеме или кабеле.

В некоторых программах SDR предусмотрена программная балансировка каналов по амплитуде и фазе. Её следует производить только после того, как каналы сбалансированы аппаратно. Если нижняя и верхняя боковые полосы поменялись местами, нужно просто поменять местами выходы приемника, подключенные к левому и правому стереоканалам аудиокарты.

Несколько слов об аудиокарте. Безусловно, это очень важный компонент приемной системы, и от её качества зависят все параметры приемника. При неизменной частоте fГ полоса программной перестройки приемника и полоса обзора панорамного индикатора равны частоте дискретизации сигнала в аудиокарте. Например если частота дискретизации 48 кГц, приемник можно программно перестраивать на 24 кГц вверх и вниз.

Лучше использовать линейный вход аудиокарты, а микрофонный вход отключить средствами операционной системы. Иначе возможно прямое проникновение сигнала с входа на выход аудиокарты. Субъективно это проявляется в посторонних звуках в громкоговорителях при включенном приемнике, даже если программа SDR не запущена.

Если линейного входа нет (как в большинстве ноутбуков), придется пользоваться микрофонным. Но потребуется понизить уровень подаваемого на этот вход сигнала с помощью дополнительных резистивных делителей напряжения. Лучше, если они будут расположены непосредственно около микрофонного входа компьютера. Номиналы резисторов придется подобрать экспериментально, но их общее сопротивление не должно быть менее 2кОм во избежание перегрузки  ОУ на плате приемника.

 

 

 

2 Поверочные расчеты

2.1 Расчет потребляемой мощности приемника

Проведем расчет мощности потребляемой проектируемым приемником согласно справочным данным применяемых в конструкции радиоэлементов.

Потребляемая каждым радиоэлементом мощность может быть рассчитана по формуле (1.1):

(1.1)

Для проведения поверочного расчета будем использовать максимально возможные значения потребляемой мощности.

Для резисторов в расчете используем номинальную мощность — это максимально допустимая мощность рассеяния при непрерывной электрической нагрузке без изменения паспортных параметров. Для микросхем используем данные представленные разработчиками и поставщиками данных типов микросхем.

Представим в виде таблицы 1.2 мощность потребляемую всеми элементами рассмотренных ранее принципиальных схем.

Таблица №1.2 Мощность потребляемая компонентами

Итого ориентировочная рассеиваемая устройством мощность      Q = 10 Вт.

 

2.2 Выбор способа охлаждения

Для выбора способа охлаждения воспользуемся ОСТ4 ГО.070.030.

Проведем расчет в соответствии с методикой предложенной в данном ОСТе.

Необходимо определить:

1.  Мощность рассеиваемую блоком Q, Вт по формуле (1.2).

Ориентировочная потребляемая мощность была определена в п.1.2.1

QГ = 10 Вт

Определим максимальную потребляемую мощность с учетом коэффициента запаса КЗ = 1,3

(1.2)

 

1.  Допустимая температура нагретой зоны tдоп,, 0С

В качестве допустимой температуры выберем температуру при которой могут нормально функционировать все выбранные ЭРЭ. Наиболее критичные значения рабочих температур предъявляется к операционным усилителям DA2 – DA5 типа NE5532D8 от -400C до +850С.

Следовательно tдоп,= +85 0С

1.  Диапазон изменения температуры окружающей среды определяется по формуле (1.3):

tос min–tос max0C        (1.3)

В соответствии с заданной устойчивостью к климатическим воздействиям по ГОСТ 15150-69 УХЛ4.2 предельная рабочая температура        (+10С) – (+400С).

4. 4. Расчетная поверхность нагретой зоны SЗ м2

Для блока при воздушном охлаждении рассчитывается по формуле (1.4)

(1.4)

 

Где: L1, L2 – горизонтальные размеры кожуха блока,(0,16м; 0,11м);

H – высота кожуха блока (0,025м);

KV – коэффициент заполнения по объему, из оптимального заполнения данного объема корпуса (0,5).

Тогда подставив значения в формулу (1.4):

1. Величина удельной мощности нагретой зоны q Вт/м2 определяется по формуле (1.5):

 

(1.5)

1. Минимальная величина допустимого перегрева нагретой зоны Δtдоп

 

1. По известным значениям q и Δtдоп осуществляется выбор

способа охлаждения соответственно зоне на рисунке 1.4 (согласно приложению ОСТ4 Г0.070.003), в которой находится точка с координатами q и Δtдоп .

 

Рисунок 1.4 — Диаграмма областей применения различных способов охлаждения РЭА

По результатам расчетов для рассматриваемого прибора возможно использование естественной вентиляции, так как рабочая точка с координатами q;Δtдоп (309;45) попадает в зону 1.

2.3 Ориентировочный расчет надежности

Надежность аппаратуры определяется надежностью и количеством используемых в ней элементов. Так как надежность является одним из основных параметров изделия, то проектируя аппаратуру, её следует оценивать на ряду с другими параметрами и на основе этих расчетов делать выводы о правильности выбранной схемы и конструкции изделия.

На этапе проектирования, когда еще точно не определены режимы работы схемы, производят ориентировочный расчет, задаваясь ориентировочными данными, определяющими условия работы. Так, в качестве температуры окружающей среды для каждого из элементов может быть принято среднее значение температуры внутри блока, определенное на основании данных о количестве теплоты, выделяемой внутри блока, его габаритных размеров, условий теплоотдачи и температуры среды, окружающей блок. Рассчитанная таким образом температура не учитывает местных перегревов, создаваемых отдельными элементами, выделяющими значительное количество теплоты.

Методика расчета для прибора в целом будет такова :

1. Определяется количество и тип элементов блока. Считаем, что для всех элементов коэффициент нагрузки равен 1 (как наиболее жесткий режим работы).
2. Заполняется графа таблицы 1.3, указывающая интенсивность отказа элементов lоi. Значение  lоi берется из руководящего технического материала.
3. Определяется количество элементов каждого типа Ni и вычисляется произведение lоi * Ni , значение которого заносится в соответствующую графу таблицы.
4. Вычисляется общая интенсивность отказов блока по формуле (1.6):

lо = (Slоi * Ni)*KJ (1.6)

 

Где KJ – коэффициент условия эксплуатации. В соответствии с заданием на дипломное проектирование проектируемый ПОР приемник эксплуатируется в лабораторных условиях. Следовательно KJ = 1

1. Вычисляется среднее время работы до отказа по формуле (1.7):

Тср = 1 / l . (1.7)

Таблица №1.3 Параметры надежности ПОР приемника

Итого получаем Sl = 0,00000885 1/ч, отсюда находим  среднее время безотказной работы по формуле (1.7):

 

В данном приемнике отказ любого элемента может привести либо к полной остановке, либо к частичной потере работоспособности устройства. При этом, приемник не сможет нормально выполнять возложенные на него задачи.

Определим вероятность безотказной работы по формуле (1.8):

 

(1.8)

Где: t – заданное время безотказной работы (10000ч)

Итого ориентировочная вероятность безотказной работы             P(10000) = 0,91

Полученное значение ориентировочной вероятности безотказной работы близко к требуемому и свидетельствует о работоспособности рассматриваемой принципиальной схемы и возможности её использования для дальнейшего конструкторского–технологического проектирования, так как реальная вероятность безотказной работы значительно выше.

---

1 2 3