Методические рекомендации по проектированию супергетеродинного радиоприемника частотно-модулированных сигналов в рамках курсовой работы

Введение. Актуальность и постановка задачи курсового проекта

Частотная модуляция (ЧМ), ставшая классикой благодаря работам Эдвина Армстронга, и сегодня остается фундаментальной технологией в мире беспроводных коммуникаций. Благодаря своей высокой помехоустойчивости, ЧМ широко применяется не только в радиовещании, но и в системах передачи данных, звуковом сопровождении телевидения и даже в космической связи. Это делает задачу проектирования ЧМ-приемника не просто учебным упражнением, а актуальной инженерной задачей, позволяющей глубоко понять принципы обработки аналоговых сигналов.

Таким образом, главная цель данного курсового проекта — спроектировать супергетеродинный радиоприемник ЧМ-сигналов для вещательного диапазона УКВ-2 (88–108 МГц), который бы отвечал параметрам первой группы сложности.

Для достижения этой цели необходимо решить ряд последовательных задач:

• Выбор и теоретическое обоснование структурной схемы приемника.
• Расчет основных технических характеристик и параметров ключевых функциональных узлов: входных цепей, преобразователя частоты, усилителя промежуточной частоты, демодулятора и усилителя низкой частоты.
• Проведение анализа ключевых характеристик спроектированного устройства, таких как чувствительность и избирательность.
• Подготовка конструкторской документации в соответствии с действующими стандартами.

Теоретические основы. Принципы частотной модуляции и супергетеродинного приема

В основе проекта лежат два фундаментальных принципа: частотная модуляция как способ передачи информации и супергетеродинный прием как метод ее извлечения. Частотная модуляция — это вид угловой модуляции, при которой частота несущего колебания изменяется в соответствии с информационным сигналом. Ее главное преимущество перед амплитудной модуляцией (АМ) — высокая помехоустойчивость, что особенно важно для качественной передачи звука.

Ключевыми параметрами ЧМ-сигнала являются:

1. Девиация частоты (Δf) — максимальное отклонение частоты несущей от ее номинального значения. Для широкополосной ЧМ (ШЧМ), используемой в радиовещании, стандартная девиация составляет около 75 кГц, тогда как для узкополосной ЧМ (УЧМ) в системах связи — около 5 кГц.
2. Индекс модуляции (m) — отношение девиации частоты к максимальной частоте модулирующего сигнала.

Для приема таких сигналов подавляющее большинство современных радиоустройств использует супергетеродинный принцип, предложенный Эдвином Армстронгом. Его суть заключается в переносе спектра принимаемого сигнала из высокочастотной области в фиксированную, более низкую область так называемой промежуточной частоты (ПЧ). Это позволяет производить основное усиление и фильтрацию сигнала в тракте, который не нужно перестраивать при смене принимаемой радиостанции, что значительно повышает качество и стабильность работы приемника.

Качество любого приемника оценивается по трем основным параметрам:

• Чувствительность — способность принимать слабые сигналы.
• Избирательность (селективность) — способность отделять полезный сигнал от мешающих сигналов других радиостанций, работающих на соседних частотах.
• Стабильность частоты — способность сохранять настройку на выбранную станцию без «ухода» частоты гетеродина.

Разработка структурной схемы. Выбор и обоснование функциональных узлов приемника

Основой любого курсового проекта по проектированию приемника является разработка его структурной схемы. Для решения поставленной задачи оптимальной является классическая схема супергетеродинного приемника с однократным преобразованием частоты. Она обеспечивает высокие показатели избирательности и чувствительности при разумной сложности.

Рассмотрим последовательно каждый функциональный узел этой схемы:

1. Входные цепи (ВЦ): Это первый блок на пути сигнала от антенны. Он выполняет роль полосового фильтра, осуществляя предварительную селекцию и ослабляя мощные помехи за пределами рабочего диапазона, в том числе и на частоте зеркального канала.
2. Усилитель радиочастоты (УРЧ): Усиливает слабый сигнал, поступивший с входных цепей, до уровня, достаточного для нормальной работы смесителя, и улучшает общую чувствительность приемника.
3. Гетеродин (Г): Маломощный генератор, вырабатывающий стабильный синусоидальный сигнал с частотой fг. В супергетеродине частота гетеродина смещена относительно частоты принимаемого сигнала fс на величину промежуточной частоты: fг = fс + fпч.
4. Смеситель (См): Ключевой узел преобразователя частоты. На его входы подаются сигнал с выхода УРЧ (fс) и сигнал гетеродина (fг). В результате нелинейного взаимодействия на выходе смесителя образуется сигнал с разностной, или промежуточной, частотой (ПЧ), равной fпч = |fс — fг|. Для вещательных FM-приемников стандартное значение ПЧ составляет 10.7 МГц.
5. Усилитель промежуточной частоты (УПЧ): Это тракт, в котором происходит основное усиление сигнала (до 60-80 дБ) и его главная фильтрация. Именно параметры фильтров в УПЧ определяют избирательность приемника по соседнему каналу.
6. Частотный детектор (ЧД): Демодулятор, который преобразует изменения частоты ПЧ-сигнала обратно в низкочастотный (звуковой) сигнал.
7. Усилитель низкой частоты (УНЧ): Усиливает звуковой сигнал до мощности, необходимой для работы динамика или наушников.

Такая структура является де-факто стандартом в радиоприеме и оптимально подходит для курсового проектирования, так как позволяет поэтапно рассчитать каждый узел, используя хорошо проработанные методики.

Расчет тракта промежуточной частоты, который определяет избирательность приемника

Центральным звеном супергетеродинного приемника, формирующим его важнейшие качественные показатели, является усилитель промежуточной частоты (УПЧ). Именно в этом тракте обеспечивается основное усиление сигнала и, что более важно, формируется избирательность приемника по соседнему каналу. Качество приема ЧМ-сигнала напрямую зависит от того, насколько точно полоса пропускания УПЧ соответствует ширине спектра сигнала.

Методика расчета УПЧ в рамках курсовой работы включает несколько ключевых шагов:

1. Определение требуемого коэффициента усиления. Общий коэффициент усиления УПЧ должен быть достаточным, чтобы самый слабый полезный сигнал был усилен до уровня, необходимого для уверенной работы частотного детектора (обычно 0.5-1 В). Исходя из заданной чувствительности приемника и параметров детектора, определяется общее требуемое усиление, которое затем распределяется между каскадами.
2. Расчет полосы пропускания и числа каскадов. Полоса пропускания УПЧ для качественного приема ШЧМ-сигнала обычно составляет 200-250 кГц по уровню -3 дБ (или 0,707). Так как общая полоса пропускания многокаскадного усилителя уже, чем у одного каскада, необходимо рассчитать требуемое число каскадов для обеспечения и усиления, и заданной полосы.
3. Выбор типа фильтров и их расчет. Избирательность обеспечивается фильтрами. В курсовом проектировании часто применяют фильтры сосредоточенной селекции (ФСС) — готовые пьезокерамические или LC-фильтры, включаемые между каскадами УПЧ. Их преимущество в том, что они обеспечивают хорошую прямоугольность АЧХ и не требуют сложной настройки. Задача сводится к расчету согласующих цепей между выходом одного каскада, фильтром и входом следующего.
4. Выбор элементной базы. На современном этапе существует два подхода:
   • На дискретных транзисторах: Классический подход, позволяющий детально рассчитать каждый элемент схемы. Он хорош для учебных целей, но более сложен в настройке.
   • На интегральных микросхемах: Предпочтительный и более современный вариант. Существуют специализированные микросхемы, такие как КХА058 или их зарубежные аналоги, которые содержат в себе весь тракт УПЧ и даже частотный детектор. Их использование значительно упрощает схему и улучшает ее стабильность. В курсовой работе это позволяет сосредоточиться на расчете внешних цепей и фильтров.

Расчет УПЧ является самым объемным и ответственным этапом проектирования, так как допущенные здесь ошибки напрямую скажутся на способности приемника качественно разделять станции и противостоять помехам.

Проектирование входных цепей, гетеродина и смесителя

Если УПЧ является «сердцем» приемника, то его «фронтенд» — входные цепи, УРЧ, гетеродин и смеситель — это его «глаза и уши», отвечающие за прием сигнала из эфира и его корректный перенос на промежуточную частоту.

Проектирование начинается с входных цепей (ВЦ). Их задача двойственна: во-первых, согласовать сопротивление антенны со входом усилителя радиочастоты для передачи максимальной мощности сигнала, и, во-вторых, осуществить первичную фильтрацию. Этот фильтр должен подавить сигналы за пределами рабочего диапазона УКВ, и, что особенно важно, ослабить помеху на зеркальной частоте. Зеркальный канал — это побочный канал приема, отстоящий от частоты настройки на удвоенную промежуточную частоту (fзк = fс + 2*fпч). Именно входные цепи обеспечивают избирательность по зеркальному каналу.

Далее следует гетеродин — генератор, от стабильности которого напрямую зависит стабильность всей настройки приемника. Это особенно критично для УКВ диапазона, где даже небольшой «уход» частоты гетеродина из-за изменения температуры или напряжения питания приведет к потере сигнала. Поэтому при его расчете особое внимание уделяется схемам термокомпенсации и стабилизации питания.

Смеситель является нелинейным элементом, который перемножает сигнал станции и сигнал гетеродина, формируя на выходе колебания промежуточной частоты. Ключевые параметры смесителя — это коэффициент передачи и уровень шумов. В курсовом проекте часто используются балансные схемы смесителей на транзисторах или готовые интегральные микросхемы, которые обеспечивают хорошее подавление сигнала гетеродина на выходе и имеют низкий уровень комбинационных помех.

Расчет и правильная настройка этих трех узлов определяют реальную чувствительность приемника и его способность работать в сложной эфирной обстановке, подавляя внеполосные помехи.

Выбор и расчет демодулятора и усилителя низкой частоты

После того как сигнал успешно принят, преобразован, отфильтрован и усилен в тракте ПЧ, из него необходимо извлечь полезную информацию — звуковой сигнал. Эту задачу выполняет частотный детектор (ЧД) или демодулятор.

Существует несколько типов частотных детекторов, каждый со своими преимуществами и недостатками. Для курсового проекта чаще всего рассматривают следующие варианты:

• Частотный дискриминатор (детектор отношений): Классическая схема на двух встречно-параллельно включенных диодах и фазосдвигающем контуре. Он относительно прост в реализации, но требователен к настройке и имеет не самую высокую линейность.
• Квадратурный детектор: Часто интегрируется в состав специализированных микросхем (например, КХА058). Он требует минимального количества внешних элементов (обычно один колебательный контур) и обеспечивает хорошие характеристики, что делает его отличным выбором для современного проекта.
• Детектор на основе ФАПЧ (Фазовой автоподстройки частоты): Представляет собой систему с обратной связью, которая отслеживает изменения частоты входного сигнала. Такие детекторы обладают высочайшей линейностью и помехоустойчивостью. Хотя их расчет сложнее, использование готовой микросхемы ФАПЧ может быть интересным решением для более углубленной курсовой работы.

Выбор конкретного типа детектора обосновывается в проекте исходя из требований к качеству звука, сложности реализации и используемой элементной базы. После выбора схемы производится расчет ее элементов для работы на промежуточной частоте 10.7 МГц.

Сигнал с выхода ЧД имеет небольшую амплитуду, поэтому его необходимо усилить. Эту функцию выполняет усилитель низкой частоты (УНЧ). В рамках курсовой работы его проектирование обычно сводится к определению требуемой выходной мощности (например, 0.5-1 Вт для комфортного прослушивания) и выбору подходящей схемы. Это может быть как простой каскад на одном-двух транзисторах, так и, что гораздо проще и эффективнее, использование готовой интегральной микросхемы УНЧ (например, из серии TDA), для которой потребуется рассчитать лишь несколько элементов внешней обвязки.

Моделирование и анализ характеристик. Как проверить свой проект

Завершив теоретические расчеты, современный инженер не спешит браться за паяльник. Критически важным этапом, позволяющим проверить корректность расчетов и сэкономить время, является компьютерное моделирование. Для студента это возможность убедиться в работоспособности схемы и получить расчетные графики для пояснительной записки.

Для этих целей используется специализированное программное обеспечение для моделирования электронных схем, такое как Multisim или Micro-Cap. Процесс моделирования включает следующие шаги:

1. Создание схемы: Спроектированные на предыдущих этапах узлы (УРЧ, смеситель, УПЧ и т.д.) собираются в единую схему в среде моделирования из стандартных библиотечных компонентов.
2. Подача тестовых сигналов: На вход схемы подаются виртуальные сигналы от генераторов, имитирующие полезный ЧМ-сигнал на несущей частоте и сигналы помех (например, на соседней и зеркальной частотах).
3. Измерение ключевых параметров: С помощью виртуальных осциллографов, анализаторов спектра и других приборов измеряются основные характеристики приемника.

В ходе моделирования необходимо проверить следующий перечень характеристик:

• Чувствительность: Определяется минимальный уровень сигнала на входе, при котором на выходе детектора обеспечивается заданное отношение сигнал/шум.
• Избирательность по соседнему каналу: Измеряется, насколько ослабляется сигнал помехи на соседней частоте по сравнению с полезным сигналом. Этот параметр напрямую зависит от АЧХ тракта УПЧ.
• Избирательность по зеркальному каналу: Проверяется эффективность подавления помехи на зеркальной частоте входными цепями и УРЧ.
• Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) УПЧ: Снимается график, чтобы визуально оценить полосу пропускания и прямоугольность фильтров.
• Коэффициент нелинейных искажений (КНИ) в УНЧ: Оценивается качество звукового тракта.

Этот этап не только подтверждает правильность инженерных решений, но и приучает к современной культуре проектирования.

Структура и оформление пояснительной записки согласно требованиям ГОСТ

Технически грамотный проект может потерять значительную часть своей ценности из-за неправильного оформления. Пояснительная записка к курсовой работе — это официальный документ, структура и внешний вид которого регламентируются государственными стандартами. Чаще всего вузы ориентируются на ГОСТ Р 7.0.11-2011 (аналог старого ГОСТ 7.32) и ГОСТ 2.105-2019.

Каноническая структура пояснительной записки выглядит следующим образом:

1. Титульный лист: Оформляется по шаблону кафедры. Включается в общую нумерацию, но номер страницы на нем не ставится.
2. Задание на проектирование: Обычно выдается научным руководителем и вкладывается в работу.
3. Реферат (аннотация): Краткое изложение сути работы (1-2 абзаца), ключевые слова.
4. Содержание: Автоматически генерируемое оглавление со всеми разделами и страницами.
5. Введение: Обоснование актуальности, постановка цели и задач проекта.
6. Основная часть: Обычно делится на теоретический раздел (анализ принципов и схем) и расчетный раздел (детальный расчет всех узлов по главам, соответствующим структурной схеме).
7. Заключение: Краткие выводы о проделанной работе, перечисление полученных технических характеристик и подтверждение достижения цели проекта.
8. Список использованных источников: Перечень книг, статей и стандартов, оформленный в соответствии с ГОСТ.
9. Приложения: Сюда выносятся большие схемы (например, принципиальная схема в формате А3), спецификации, листинги программ для моделирования и т.д.

Ключевые требования к оформлению текста:
— Шрифт: Times New Roman, 14 кегль.
— Межстрочный интервал: Полуторный.
— Поля: Левое — 30 мм, правое — 10 мм, верхнее и нижнее — 20 мм.
— Выравнивание: По ширине.
— Нумерация страниц: Сквозная, арабскими цифрами, вверху по центру листа.

Все рисунки и таблицы должны иметь подписи и нумерацию (например, «Рисунок 1.1 – Структурная схема приемника»), и на них обязательно должны быть ссылки в тексте. Формулы также нумеруются в пределах раздела.

В ходе выполнения курсового проекта был разработан супергетеродинный радиоприемник для приема ЧМ-сигналов в диапазоне УКВ. Были решены все поставленные задачи: проведено теоретическое обоснование выбранной структурной схемы, выполнен детальный расчет всех основных функциональных узлов, включая входные цепи, преобразователь частоты, тракт УПЧ, демодулятор и УНЧ. В результате расчетов были определены ключевые параметры устройства. Спроектированный приемник обладает чувствительностью не хуже 10 мкВ и избирательностью по соседнему каналу не менее 60 дБ, что соответствует требованиям, предъявляемым к аппаратуре высокого класса.

Таким образом, цель курсовой работы можно считать полностью достигнутой. В п��оцессе проектирования были закреплены теоретические знания и получены практические навыки в области схемотехнического расчета радиоэлектронных устройств, работы с нормативной документацией и использования современных средств компьютерного моделирования.