Проектирование радиотехнического устройства (приемник)

Введение

В последнее время на промышленном железнодорожном транспорте более широко применяются (по примеру магистральных дорог) новейшие средства связи и устройства сигнализации, централизации и блокировки, кроме того, разрабатываются и внедряются системы дистанционного управления локомотивами и автоматического управления движением поездов.

В связи с совершенствованием средств связи и появлением легкой транзисторной аппаратуры особенно широко стала применяться двухсторонняя радиосвязь с погрузочными точками и районами, с транспортными единицами и погрузочно-разгрузочными механизмами (кранами, автопогрузчиками и др.). Это способствует улучшению использования транспортных средств, повышению времени полезной работы механизмов, устранению порожних пробегов и уменьшению дальности рейсов подвижного состава. Так же широко применяется управление объектами на расстоянии по радиоканалу связи.

Большое распространение на промышленном транспорте получают различные системы телевидения: передача одного изображения на один экран, передача одного изображения на несколько экранов и прием нескольких изображений на центральном диспетчерском пункте. Для ориентации телевизионной камеры и регулировки объектива применяется дистанционное управление. При необходимости дистанционное управление обеспечивает увеличение изображения объектов. Автоматическая регулировка камер позволяет получать изображение постоянной яркости независимо от изменения условий освещенности транспортных объектов.На железнодорожном транспорте промышленных предприятий начали применяться различные системы дистанционного перевода стрелок. На металлургических заводах, открытых горных разработках (на постоянных путях), машиностроительных заводах, так же, как и на магистральных железных дорогах, во многих странах вводится маршрутно-релейная централизация стрелок - наиболее современная система дистанционного управления стрелочными переводами.

Дистанционное управление (ДУ) — передача управляющего воздействия (сигнала) от оператора к объекту управления, находящемуся на расстоянии, из-за невозможности передать сигнал напрямую, если объект движется, находится на значительном расстоянии или в агрессивной среде и т. п. 

Один из самых ранних образцов устройств для дистанционного управления придумал Никола Тесла в 1898 году. В 1898 году на электро выставке в Медисон-сквер-гарден, он демонстрировал публике радиоуправляемую лодку под названием «телеавтомат»

Системы ДУ различаются прежде всего по типу канала связи:

Механический канал – передача команды по средством механических объектов (рычаги, шестерни и .т.д)

используется там, где объекты удалены друг от друга на сравнительно небольшое расстояние или требуется обеспечить мгновенную неискажённую реакцию, (например, управление летательными аппаратами, автомобилями).

Электрический канал – передача информации на расстояние по средством электрического сигнала, импульса.

• проводной канал — используется там, где нет возможности применить беспроводные каналы, (например, из-за отсутствия прямой видимости, наличия экранировки, соображений секретности и т. д.), либо из соображений стоимости и помехозащищённости. Такой канал используется, главным образом, для управления системами мобильных объектов, оборудованием производственных объектов, лабораторий, или специальных объектов (военного и другого назначения);
• радиоканал — используется, главным образом, для управления подвижными объектами — радиоуправляемыми спортивными моделями и игрушками, оборудованием для чрезвычайных ситуаций (роботы и т. д.), беспилотными летательными аппаратами (БПЛА), военными мобильными объектами; либо в ситуациях, когда передатчик и приемник не могут находиться в зоне прямой видимости (системы освещения или отопления, подъемники гаражных дверей и т. д.);
• ультразвуковой канал — используется редко, для управления мобильными и стационарными объектами на сравнительно небольшом расстоянии;
• инфракрасный канал — используется, как правило, для бытовой электроники.

Дистанционно управление применяется во многих промышленных областях, таких как: авиация, космическая техника, в технике связи, в компьютерной технике, в электроэнергетике в лабораторном оборудование, в военном деле,  в промышленном производстве и строительстве и на железнодорожном транспорте. На железнодорожном транспорте широко применяется метод управления объектами по средством радиоволн. Это очень удобно и значительно упрощает работу и контроль над объектами: рельсовыми стрелками, светофорами, видеокамерами, охранными системами  и т.д.

Все более широкое проникновение маломощных беспроводных устройств, работающих в частотном диапазоне ISM (промышленный, научный и медицинский), в повседневную жизнь (системы безопасности, медицина, промышленность, сельское хозяйство и т.д.) обусловлено тремя основными факторами:

– желанием отказа от фиксированной связи, которая используется для передачи данных на значительные расстояния;

– выделением регулирующими органами различных стран частотных диапазонов ISM;

– появлением различных беспроводных стандартов, которые обеспечивают функциональную совместимость в диапазоне ISM.

В течение длительного времени системы с фиксированной связью обеспечивали надежную среду передачи и высокую скорость при большом сроке службы. Несмотря на многие достоинства, проводные решения вместе с тем имеют ряд ограничений, которые постепенно делают их менее привлекательным по сравнению с беспроводными технологиями. Среди этих ограничений можно назвать следующие.

– География. В зависимости от географических особенностей территории часто возникают сложности при прокладке проводных соединений, особенно в сельской и горной местности;

– Экономичность. Стоимость проводной системы пропорциональна длине используемого провода, т.к. в некоторых случаях необходимо использовать повторители для компенсации падения уровня сигнала. Это означает, что при масштабировании проводной сети требуется более дорогое решение;

– Комфорт. С точки зрения потребителей размещение провода в определенных местах крайне нежелательно и неудобно. Поэтому для потребителя проводная система рассматривается лишь как самая нежелательная альтернатива при построении системы связи.

Эти три главных недостатка проводной передачи объясняют то, что беспроводные технологии постепенно набирают силу.

 

1. Теоретическая часть
1. Выбор структурной схемы дистанционного управления

Тема моего диплома проектирование радиотехнического устройства  основана на принципе передачи радиосигнала на расстояние и управление объектами, посредством этого сигнала. Далее я приведу выбор структурных схем  приёмников, начиная от простого, состоящего на базе транзисторов, к более сложному, сделанного на основе микросхемы. Существует 3 вида приёмников – приёмник прямого усиления, релаксационные, гетеродинный приёмник и приёмники цифровые. Рассмотрим некоторые из них.

Первое - Радиоприёмник прямого усиления рисунок 1 (герадеаус) состоит из колебательного контура, нескольких каскадов усиления высокой частоты, квадратичного амплитудного детектора, а также нескольких каскадов усиления низкой частоты.

Рис. 1 структурная схема радиоприёмника прямого усиления

Колебательный контур служит для выделения сигнала требуемой радиостанции. Как правило, частоту настройки колебательного контура изменяют конденсатором переменной ёмкости. К колебательному контуру подключают антенну, иногда и заземление.

Сигнал, выделенный колебательным контуром, поступает на усилитель высокой частоты. Усилитель высокой частоты (УВЧ), как правило, представляет собой несколько каскадов избирательного транзисторного усилителя. С УВЧ сигнал подаётся на диодный или транзисторный детектор, с детектора снимается сигнал звуковой частоты, который усиливается ещё несколькими каскадами усилителя низкой частоты (УНЧ), откуда поступает на динамик или наушники. Ключевой недостаток, он же ключевое достоинство этого вида приемников — близость зеркального канала приема к принимаемому каналу. Практически это соседние каналы, и отфильтровать зеркальный канал приема на низкой частоте достаточно сложно. В ряде применений зеркальный канал фильтровать не надо вовсе, поскольку он почти гарантированно свободен. Такая ситуация наблюдается в УКВ радиовещании, когда при лицензировании частот соседний канал рядом с мощной радиостанцией стараются оставить пустым. Поэтому приемники прямого преобразования для УКВ радиостанций можно вообще не снабжать входным фильтром, а все остальное легко укладывается в одну микросхему без навесных элементов. Именно такие очень дешевые и миниатюрные приемники сейчас встраивают в электронные гаджеты типа сотовых телефонов.

В случае применения приемника прямого преобразования на КВ, например, для любительской радиосвязи, двухполосный прием становится серьёзным недостатком, так как на узких любительских диапазонах очень много помех от соседних станций. Подавить нежелательный канал приема можно, используя фазокомпенсационный метод. Однако при этом приемник сразу лишается своего важнейшего преимущества — простоты устройства и регулировки.

Главное преимущество приёмника прямого усиления — простота конструкции. Кроме того, радиоприёмники прямого усиления (в отличие от супергетеродинных приёмников) отличаются отсутствием паразитных излучений в эфир, что может быть важно, если необходима полная скрытость приёмника. Имеется и ряд других преимуществ, из которых такие как:

• Большой динамический диапазон,
• Широкая полоса воспроизводимых звуковых частот,
• Линейность,
• Отсутствие «зеркальных» и прочих побочных каналов,
• Отсутствие свистов при перенастройке —

привели к тому, что сейчас именно этот тип приёмника закладывается в основу программно-определяемого радио при работе на частотах до десятков МГц, где возможна работа современных доступных АЦП напрямую, без преобразования частоты.

Основной недостаток приёмника прямого усиления — малая селективность (избирательность), то есть малое ослабление сигналов соседних радиостанций по сравнению с сигналом станции, на которую настроен приёмник (к регенеративному приёмнику, являющемуся разновидностью приёмника прямого усиления, это не относится). Поэтому этот тип приёмников удобно использовать только для приёма мощных радиостанций, работающих в длинноволновом или средневолновом диапазоне. Из-за этого недостатка приёмники прямого усиления не производятся промышленностью и в основном используются ныне только в радиолюбительской практике. Улучшить избирательность можно при помощи двухконтурной входной цепи.

Как правило, радиоприёмники этого типа могут принимать только амплитудно-модулированные радиопередачи. Также желательно подключение внешней антенны и заземления, в связи с их невысокой чувствительностью, ограниченной усилением. Повышение чувствительности приёмника прямого усиления путём повышения коэффициента усиления УВЧ выше определённого предела бессмыссленно, т.к. УВЧ может, во-первых, самовозбудиться, а во-вторых, при приёме мощных станций звук будет искажён из-за перегрузки. Избавиться от обоих вышеописанных недостатков можно, добавив в приёмник АРУ.

Далее рассмотрим супергетеродинный радиоприёмник (супергетеродин) — один из типов радиоприёмников, основанный на принципе преобразования принимаемого сигнала в сигнал фиксированной промежуточной частоты (ПЧ) с последующим её усилением. Основное преимущество супергетеродина перед радиоприёмником прямого усиления в том, что наиболее критичные для качества приёма части приёмного тракта (узкополосный фильтр, усилитель ПЧ и демодулятор) не должны перестраиваться под разные частоты, что позволяет выполнить их со значительно лучшими характеристиками.

Изначально гетеродином называли радиоприёмник, в котором имелся дополнительный генератор высокой частоты, настроенный на частоту, близкую к частоте принимаемого сигнала, что повышало чувствительность радиоприёмника. В дальнейшем, после изобретения супергетеродина, гетеродином стали называть этот генератор.

Гетеродин создаёт колебания вспомогательной частоты, которые в блоке смесителя смешиваются с поступающими извне колебаниями высокой частоты. В результате смешения двух частот, входной и гетеродина, образуются ещё две частоты (суммарная и разностная). Разностная частота (при амплитудной модуляции постоянная) используется как промежуточная частота, на которой происходит основное усиление сигнала.

К гетеродинам устанавливаются высокие требования по стабильности частоты и амплитуды, а также спектральной чистоте гармонических колебаний. Чем выше эти требования, тем сложнее конструктивное исполнение гетеродина: стабилизируют напряжение питания, применяют сложные схемы, исключающие влияние внешних факторов на частоту генератора, компоненты со специальными свойствами, гетеродин помещают в термостат, используют системы автоматической подстройки частоты и т. д. Если гетеродин работает на фиксированной частоте, применяют стабилизацию с помощью кварцевого резонатора. В современной радиоаппаратуре в качестве перестраиваемых гетеродинов всё чаще применяют цифровые синтезаторы частоты, которые обладают рядом важных преимуществ.