ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
2008
Jan Tomášek
ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická Katedra měření
Navigační přijímač Loran C
Vedoucí práce
Autor
Doc.Dr.Ing. Pavel Kovář
Jan Tomášek
Praha 2008
Prohlášení Prohlašuji, že jsem svou bakalářskou práci vypracoval samostatně a použil jsem pouze podklady (literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v přiloženém seznamu. Nemám závažný důvod proti užití tohoto školního díla ve smyslu § 60 Zákona č.121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon).
V Praze dne 8.7.2008
...............................
Poděkování:
Tímto bych chtěl především poděkovat panu Doc.Dr.Ing. Pavlu Kováři, vedoucímu bakalářské prace, za jeho čas a cenné rady, bez nichž by bylo vypracování mnohem složitější. Dále pak všem, kteří mi pomohli k úspěšnému dokončení práce.
Anotace Tato práce shrnuje konstrukcí přijímače hyperbolického navigačního signálu Loran C. Klade důraz na jednoduchost realizace přijímače a vysvětluje aspekty spojené s přijmem zmiňovaného signálu. Výstupní produkt slouží k zhodnocení síly signálu v Praze a zpětné vazbě na teoretické poznatky.
Annotation This bachelor’s degree project summarizes receiver design of the terrestrial radio navigation Loran C. With special emphases on simple design in addition to this it describes aspects of receiving such distant longwave terrestrial signals. Built receiver output is taken to comparison with theoretical presumptions resulting in signal strength conclusion.
OBSAH: 1 Úvod ........................................................................................................... 1 2 Popis navigace LORAN C .............................................................................. 2 2.1. Základní charakteristika systému LORAN C ......................................................................... 2 2.2. Princip určení .................................................................................................................... 2 2.3. GRI je vybráno na základě : ................................................................................................ 4 2.4. Pokrytí signálem LORAN C ................................................................................................. 5 2.5. Odhad síly signálu ............................................................................................................. 7 2.6. Přenost určení polohy...................................................................................................... 10 2.7. Potlačení odrazů od ionosféry .......................................................................................... 11 2.8. Využití navigace LORAN v budoucnu ................................................................................ 11
3 Volba architekury .......................................................................................13 3.1. Koncepce přijímače ......................................................................................................... 13
3.1.1 Přehled koncepcí ..................................................................................................... 13 3.1.2 Společné části obou koncepcí ................................................................................. 14 3.1.2.1 Anténa .............................................................................................................. 14 3.1.2.2 Předzesilovač .................................................................................................... 15 3.1.2.3 Filtr pásmová propust (PP) ............................................................................... 15 3.1.3 Rozdílné části obou koncepcí .................................................................................. 16 3.1.3.1 USB interface pro PZ ........................................................................................ 16 3.1.3.2 A/D převodník pro PZ ....................................................................................... 17 3.1.3.3 Směšování do komplexní obálky pro PKK ........................................................ 17 3.2. Zvolená architektura ....................................................................................................... 18
4 Návrh přijímače ..........................................................................................19 4.1. Antena ............................................................................................................................ 19
4.1.1 Účinnost antény ...................................................................................................... 19 4.1.2 Rezonanční frekvence a šířka pásma ...................................................................... 20 4.1.3 Postup zvolený v této práci ..................................................................................... 21 4.1.4 Výsledek přemotání antény .................................................................................... 23 4.1.5 Schema zapojení antény ......................................................................................... 23 4.2. Předzesilovač .................................................................................................................. 24
4.2.1 První stupeň............................................................................................................. 25 4.2.2 Druhý stupeň ........................................................................................................... 26 4.2.3 Třetí stupeň ............................................................................................................. 28 4.2.4 Shrnutí ..................................................................................................................... 28 4.3. Filtr ................................................................................................................................. 29
4.3.1 Požadavky na filtr .................................................................................................... 29 4.3.2 Návrh ....................................................................................................................... 30
4.4. Generátor ....................................................................................................................... 33 4.5. Směšovač ........................................................................................................................ 34 4.6. Koncový zesilovač ............................................................................................................ 35
5 Naměřené hodnoty ....................................................................................37 5.1. Napájecí obvody .............................................................................................................. 37 5.2. Měřící přístroje................................................................................................................ 37 5.3. Výsledky ......................................................................................................................... 37
5.3.1 Anténa ..................................................................................................................... 37 5.3.2 Filtr........................................................................................................................... 38 5.3.3 Zesílení..................................................................................................................... 39 5.3.4 CLK ........................................................................................................................... 40 5.3.5 Rušení ...................................................................................................................... 40 5.3.6 Realizace .................................................................................................................. 41
6 Závěr ..........................................................................................................43 7 Literatura ...................................................................................................44 8 PŘÍLOHA A: Zapojení ..................................................................................45
1 Úvod Tato práce vznikla ve spolupráci s Katedrou radiotechniky ČVUT za účelem realizace radiové části přijímače LORAN C. Fenomén dlouhovlné navigace vyvstal po dlouhé době především díky americké pobřežní stráž (US Coast Guard), která jej prosadila pro jeho nesporné výhody jako zálohu navigačního systému GPS. Evropská Unie se k myšlence použití navigace LORAN staví kladně, její přístup k LORANu je spíše experimentálního charakteru. Z těchto důvodu je vhodné zkoumat použití navigace LORAN C na území ČR. První kapitolu této práce tvoří teoretický popis signálu LORAN, jeho vlastnosti a budoucí využití. Celý teoretický úvod je doplněn o oficiální odhady síly signálů na evropském kontinentu. Z těchto map lze též odhadnout kvalitu signálu v ČR. Druhá kapitola řeší výběr architektury porovnává vlastnosti příjímače s přímým zesílením a přijímače s kmitočtovou konverzí. V závěru této kapitoly je vybrána finální architektura přiímače V třetí kapitole je popsán teoretický návrh radiového přijíímače. Všechny údaje jsou doplněny odvozeními a co nejpřesnějším postupem návrhu. V neposlední řadě tato kapitola obsahuje simulace návrhu filtru, antény i přibližné hodnoty zesílení. Čtvrtá kapitola shrnuje postup testování realizovaného přijímače a prezentuje naměřené výsledky v grafické podobě. Pátá
je
závěrečná
kapitola,
která
1
shrnuje
výsledky
práce.
2 Popis navigace LORAN C 2.1. @QRGJT«INGXGQZKXOYZOQGY_YZ§S[258'4) LORAN je zkratka LOng RAnge Navigation, což v překladu znamená navigace s dlouhým dosahem, pracuje na principu příjmu pulzů z více vysílačů, rozdíl časů přijmu pulzů se používá k výpočtu pozice přijímače. (hyperbolická navigace). V současnosti se používá verze LORAN C, která pracuje na dlouhovlných pozemních vysílačích o výkonech 11 – 1600 kW, nosné frekvenci 100 kHz a šířkou pásma 20 kHz. LORAN je americké provenience a je potomkem britské rádiové navigace GEE používané během II. světové války. V současnosti jej používají především USA a Japonsko, ale i některé další státy a to hlavně v námořní navigaci. LORAN-C byl v minulosti vytlačován mnohem přesnějším systémem GPS, ovšem v posledních letech roste tendence znovu oživit a popularizovat systém LORAN C a jeho vylepšenou verzi eLORAN, jehož přesnost se pohybuje kolem 8m. Celkově je budoucnost LORANu v Evropě nejistá. Důvody oživení navigace LORAN jsou prosté, GPS je systém poměrně komplikovaný a to vede k poruchovosti. Na druhou stranu LORAN nabízí spolehlivost a jednoduchost, kterou lze použít jako záložní navigační systém. Přesnost LORAN-C závisí na počtu vysílačů pokrývající oblast, pohybuje se v rozmezí 185 - 463 m absolutně a až 18 m pro opakované měření.
2.2. 6XOTIOV[XËKT«VU`OIK Princip ilustruje obrázek 1. Vysílače LORANu jsou sdruženy do chain(řetěz).V každém chain musí být jeden master označený M a obvykle bývají alespoň 2 maximálně však 5 secondary 2
_______________________2 Popis navigace LORAN C_____________________ označovnané V, W, X, Y, Z. Každý chain má různé GRI (group repetition interval), což je interval po kterém se vysílá 9 master pulzů( v přesně definovaných intevalech). Označení GRI vynásobené 10 us dává opakovací inteval GRI. Například GRI 9600 je 96000 us. Každý secondary vysílač má přesně definovaný čas, po kterém odpoví na master puls(odpovídá osmi pulsy). Zpoždění každého sekundárního vysílače jsou definovány tak, že se pulzy v celém oblasti pokrytí porkytí nikdy nepřekryjí.
Obr. 1. LORAN - signál
Přijímač tedy zaznamená časy příjmů z M - X a M – Y poté pomocí GRI zjistí, z kterého chain dané impulsy jdou. Z těchto údajů je možné spočítat průsečík hyperbol a následně relativní pozici vůči chain. Každý puls je přesně matematicky definovaný a jeho přesný popis lze nalézt v [6]. Ke zvýšení odolnosti proti rušení je každé dvojici GRI signálu přidána prederminovaná fázová změna pulsu podle obrázku 2. Master
Secondary
První perioda GRI
+ + - - + - + -
+
+ + + + + + - -
Druhá perioda GRI
+ - - + + + + +
-
+ - + - + + - -
Obr. 2. Fáze signálu
3
_______________________2 Popis navigace LORAN C_____________________
Obr. 3. LORAN puls
Obr. 4. Hyperbolický princip
2.3. -8/PK\_HXTUTG`QRGJÙ 1) Vzdálenosti mezi masterem a sencondary například 1000km, signálu trvá cesta 33 000 us. Proto GRI nemůže být menší než tento čas. 2 ) Počtu secondary vysílačů, které se musí do GRI vejít tak, aby se nikdy nepřekrývaly. 3) Terénu který leži mezi vysílači 4) Ostatních vysílačů 5) Odražení navigačního signálu od atmosféry. 6) Střeního výkonu vysílačů, kvůli kterým GRI nebývá menší než 50 000 us. 4
_______________________2 Popis navigace LORAN C_____________________
Obr. 5. Časově rozdělené GRI
2.4. 6UQX_Z«YOMTRKS258'4) Území pokryté signálem LORAN C je poměrně veliké, zahrnuje především rozlehlé oblasti USA, Japonska a přímořských oblastí. Důležitou informací pro stavbu přijímače LORAN C v Praze je odhad síly signálu navigačního signálu v oblasti střední Evropy. Jelikož má LORAN délku vlny v řádu kilometrů je vhodný pro navigace nad mořskými plochami nad těmito plochami se daná vlnová délka ohýbá se zakřivením země. Situace ve střední evropě je ovšem složitější. Zakřivení terénu mezi vysílačem a přijímačem vede k degradaci signálu. Tato degradace vnáší do odhadu velkou neznámou a pouze praktické měření může ověřit skutečnou sílu signálu.
Obr. 6. Porkytí signálem Eurofix
Obr. 7. Pokrytí signálem NELS
Podle údajů univerzity Southampton však signál v oblasti ČR je dokládají to obrázky. Na obrázcích 6 jsou zobrazeny pokrytí datovým kanálem LORANu nazývaným Eurofix. Na obrázku 7 je vidět pokrytí nyní již severoevropským systémem NELS, což je Loran-C s přenosem DGPS po datovém kanálu.
5
_______________________2 Popis navigace LORAN C_____________________
Obr. 8. Pokrytí signálem Chayka
Obr. 9. Pokrytí signálem SELS
Obr. 10. Pokrytí podle firmy Locus
Obr. 11. Pokrytí podle NAT PCO
Na obrázku 8 je ukázáno pokrytí ruským ekvivalentem LORANu zvaným CHAYKA (liší se pouze tvarem pulsů). A napravo je pokrytí nedokončeným jihoevropským systémem SELS.
6
_______________________2 Popis navigace LORAN C_____________________ Celkově lze z těchto obrázků usoudit, že naše území pokrývají jedním vysílačem v současné době 3 chainy. Na dalším odhadu(obr 10) od firmy Locus, zabývající se výrobou přijímačů LORAN. Se naše území nalézá v oblasti, která je na rozhraní příjmu přímé vlny signálu LORAN. Na druhou stranu má ČR podlé této mapy dobré pokrytí datovým kanálem. Z uvedených zdrojů tedy vyplývá, že pokrytí signálem LORAN v ČR je spíše slabé. Z nekterých dokonce vyplývá, že je přímá vlna signálu na území ČR zanedbatelně silná. Z toho vyplývá i malá přesnost okolo 3 km. Proto je nutné odhadnout sílu signálu ješťe jinak.
2.5. 5JNGJY«R_YOMTR[ Údaj o síle signálu je velmi důležitý k návrhu celého zařízení a to hlavně z důvodu návrhu předzesilovacího stupně a antény. Stránky spolkového technicko-fyzického ústavu (Německo) nabízejí přibližný odhad intenzity přijímaného signálu. Popisují způsob šíření DCF 77, což je evropská synchronizace hodin pomocí pulzů. DCF77 má dosah 2000 km s výkonem 50 kW. Rovněž je zde uvedeno, že signál DCF má intenzitu pole 1 mV/m na pozemní vlně do vzdálenosti 500 km. Do vzdálenosti 1100 km převládá pozemní vlna, jejiž intenzita klesá s kvadrátem vzdálenosti. Nad 1100 km až do vzdáleností 2000 km převládá odražená vlna od atmosféry, jejiž intenzita je se vzrůstající vzdáleností prakticky konstantní. Odhadovaná síla odražené vlny je 100 μV/m.
Obr. 12. Pokrytí signálem DCF77
7
_______________________2 Popis navigace LORAN C_____________________ Na základě této informace jsem dle zveřejněných dat společnosti Megapulse počítal s LORAN-C evropskými chainy: 1) GRI 7499 Sylt – NELS/Eurofix 2) GRI 7990 Středozemní moře - SELS 3) GRI 8000 Západní Rusko 4) GRI 9000 EJDE - NELS/Eurofix
Víme, že :
P S
I
P 4.S .r 2
(2.1)
Vztah vyjadřuje intenzitu záření na ploše koule z daného výkonu vysílače. Pokud bude plocha jednotková, lze tvrdit, že P = |I|. Dále víme, že intenzita záření klesá s kvadrátem vzdálenosti. Na základě této znalosti můžeme psát: Pv
P0 >W @ d2
(2.2)
Z toho je zřejmé, že výkon též klesá s kvadrátem vzdálenosti. Znalost intenzity pole u signálu DCF 77 vede k úvaze snadného odhadu intenzity pole signálů LORAN C. Víme, že intenzita pole signálu DCF 77 na 500 km je 1 mV/m. A víme závislost poklesu výkonu. Pokles výkonu je vyjádřen hodnotou Pv a poměr výkonů je vyjádřen v následujícím řádku
Pv . Výsledná hodnota ukazuje normovaný poměr Pr
k jednotkové hodnotě výkonu DCF 77. Podle tohoto odhadu lze odhadovat, že nejvhodnějším zdrojem příjmu může být ruské GRI 8000 s odhadovanými intenzitami asi 2x vyššími než DCF 77. Nevýhodou Ruského chainu je, že se nalézá poměrně daleko a jeho přímé vlny nemusí splnit očekávání kvůli členitému terénu mezi vysílačem a přijímačem. Druhý nejsilnější by měl být chain GRI 7499 Sylt. A to hlavně kvůli menší vzdálenosti vysílačů k přijmači. Intenzita se pohybuje zhruba na úrovni DCF 77. Z tohoto odhadu lze odhadnout, že síla signálu by měla byt dostatečná. Problém nastane s množstvím vysílačů, které prokrývají České území přímou vlnou. Převáží vysílače pokrývající území odraženou vlnou a tudíž by přesnost nemusela být nejlepší.
8
_______________________2 Popis navigace LORAN C_____________________
GRI 7499 SYLT M d [km] P[kW] 2
Pv (P/d )
X
Y
660,0
1156,0
1387,0
500,0
250,0
250,0
250,0
50,0
0,0006
0,0002
0,0001
0,0002
2,9
0,9
0,6
1,0
Pv/Pr
W
Z
R M - Sylt X - Lessay Y - Værlandet R - DCF77
GRI 7990 SELS M
W
X
Y
Z
R
d [km]
1250,0
1600,0
1470,0
1220,0
500,0
P[kW]
165,0
325,0
165,0
165,0
50,0
X - Lampedusa
0,0001
0,0001
0,0001
0,0001
0,0002
Y - Kargabarun
0,5
0,6
0,4
0,6
1,0
2
Pv (P/d ) Pv/Pr
M - Sellia Marina
Z - Estartit R - DCF77
GRI 8000 Rusko
d [km] P[kW] 2
Pv (P/d )
M
W
Y
Z
1430,0
1830,0
841,0
1602,0
2375,0
500,0
1150,0
1150,0
1150,0
1150,0
1150,0
50,0
0,0006
0,0003
0,0016
0,0004
0,0002
0,0002
2,8
1,7
8,1
2,2
1,0
1,0
Pv/Pr
X
R
M - Briansk W - Petrozavodsk X - Slonim Y - Simferopol Z - Szyran R - DCF77
GRI 9007 EJDE
d [km] P[kW] 2
Pv (P/d ) Pv/Pr
M
W
X
Y
Z
R
1900,0
3100,0
2000,0
1387,0
1659,0
500,0
400,0
250,0
400,0
250,0
250,0
50,0
0,0001
0,0000
0,0001
0,0001
0,0001
0,0002
Y - Værlandet
0,6
0,1
0,5
0,6
0,5
1,0
Z - Loop Head
M - Eiði W - Jan Mayen X - Bø
R - DCF77 Tab. 1. Relativní výkon LORAN ku DCF77
9
_______________________2 Popis navigace LORAN C_____________________
2.6. 6ûKTUYZ[XËKT«VURUN_ Přesnost určení polohy u radiových navigací lze zjednodušeně určit pomocí tří veličin. Rychlostí šíření signálu, rychlostí vyhodnocení signálu a zkreslením signálu. Rychlost šíření signálu odpovídá přibližně 3.108 km/s, což při vzdálenosti vysílačů v řadu tisíc kilometrů dáva chybu šířením signálu:
'd
1e6 3e11
0.33e 5m
(2.3)
Chybu způsobenou šířením signálu můžeme tedy zanedbatat. Časový rozdíl lze na dnešních přijímačích detekovat s přesností 100 ns to odpovídá při rychlosti světla vzdálenosti 30 m, zpoždění signálu zanése do detekovaných signálů chybu v řadech mikrosekund. Pří délce pulzu 200 μs se jedná o chybu: 't
1e 6 200e 6
0.5%
(2.4)
Toto zpoždění je v ideálních podmínkách stejné pro všechny přijímané LORAN signály tudíž chyba detekce polohy je závislá na rychlosti pohybu přijímače. V reálném případě není stejné pak zanáší také chybu do výsledku měření a popsat tuto chybu není triviální. Poslední položkou je zkreslení signálu zpusobené terénem a odrazy od atmosfery. Přesnost navigace je dobrá nad vodní hladinou, nad terénem degraduje. Přesnost navigace je vyšší blíže k vysílači, protože s narůstající vzdáleností klesá intenzita přímé vlny zatímco vlna odražená od atmosféry si udržuje intezitu téměř stejnou. Přesnost LORAN-C je vhodná pro použití ve městech. Ovšem signál systému je narušen velkými budovami. K odstratranění nepřesností lze u LORAN-C využít příjmu korekcí tzv. DLoran-C. Tyto korekce jsou vysílané podobně jako DGPS pozemními vysílači. A absolutní přesnost systému LORAN-C, který je v současnosti v provozu se pohybuje mezi 185 až 463 m (0,1 až 0,25 námořní míle), v závislosti na tom v které oblasti se přijímač nalézá. Opakovatelná přesnost ukazuje jak se liší polohy při jednom měření a při druhém měření polohy na jednom místě. Nejlepší opakovatelná přesnost systému LORAN-C je 18 m obvykle se pohybuje pod 100 m
10
_______________________2 Popis navigace LORAN C_____________________
2.7. 6UZRGËKT«UJXG`đUJOUTUYL§X_ Frekvence 100 kHz byla pro LORAN-C, vybrána hlavně pro své výhody šíření pozemní vlny na dlouhé frekvence. Bohužel, nevýhodou těchto vln je odraz od ionosféry. Tyto odražené vlny působí jako rušení pozemních vln. Musí urazit vzdálenost k ionosféře a přijímači tudíž dorazí s určitým zpožděním. Výška ionosféry se mění tudíž není možné určit podle odrazu přesnou vzdálenost vysílače od přijímače. Pozemní vlna dorazí dřív a tudíž přijímač počítá první pulz od třetího průchodu nulou na začátku pulzu. Určení třetího průchodu nulou je odvozeno od známého tvaru pulzu. Přijíímač porovnává špičky pulzu s průchody nulou k určení počátku pulzu. Z tohoto určí o jakou fázi pulzu se jedná a pulz pokračuje k dalšímu zpracování.
2.8. <_[ĠOZ«TG\OMGIK258'4\H[JU[IT[ LORAN jakožto navigace z druhé světové války už nesplňuje zvyšující se nároky na přesnost ani není efektivní. Proto se v současné době pracuje na vylepšení této navigace. A to pomocí pozemního vysílaní korekcí. Podle posledních zkoušek lze dosáhnout přesnosti okolo 8 m. Naproti tomu konkurenční GPS v současnosti dosahuje přesností 5 m. V neprospěch GPS mluví nespolehlivost vůči neumyslému rušení napřiklad atmosférickým dějům nebo rušení od různých
komunikačních zařítení.
Po úmyslné rušení ať už vojenskými či
teroristickými sférami. Příkladem může být rok 1997, kdy byla na moskevské airshow předvedena rušička GPS s dosahem 200 km. Být závislý na jednom navigačním zařízení může být pro letadla a lodě v budoucnu velkým problémem. Tento případ již nastal u americké letecké společnosti Aviation Daily. Několik jejich letadel přelétávajících Atlantik 28.6.2000 byla podle GPS navigace 108 nm mimo kurz. Důvodem byla chyba atomových hodin na jednom navigačním satelitu GPS. Letecké navigační systémy zatím nespoléhají pouze na GPS. Používají nadále klasické DME/VOR navigace ovšem přenosti LORAN-C nedosahuje ani jedna z těchto pozemních radionavigací. Další nevýhodou GPS je špatný signál v urbanizovaných lokacích i tuto nevýhodu LORAN-C odstraňuje. Kvůli své vlnové délce je možné ho přijímat i v místnostech.
11
_______________________2 Popis navigace LORAN C_____________________ V budoucnu se uvažuje o kombinaci GPS+LORAN-C pro leteckou navigaci FAA má požadavek na :
1) Vývoj LORANovské magnetické antény pro letecké využití 2) Vývoj RTCA DO-194/FAA TSO-C60b kompatibílní DSP přijímač LORAN. 3) Vývoj vylepšené komunikace po datovém kanálu systému LORAN a jeho využití k přenášení DGPS signálu 4) Vývoj přijímače hybridní architektury GPS/Loran
Hlavním úkolem tedy je vyrobit přenos dat po LORAN-C datovém kanálu. Tyto data budou použita pro zajištění integrity s GPS případně pro přenos korekcí. Základní GPS nemá dostatečnou přesnost ani dostupnost, což jsou hlavní parametry, pro bezpečnost letu. FAA proto vyvinula WAAS (Wide Area Augmentation System), který je schopný přenášet jak informace o integritě GPS tak i korekce chyb. LORAN-C zatím nic podobného nemá ovšem má nad územím celých Spojených Států velmi silný, spolehlivý signál (+6 až +10 dB SNR). Korekce pro LORAN-C budou přenášené terestriálně.
12
3 Volba architekury Prvním krokem bude specifikace signálu. Je známo, že se jedná o signál s nosnou frekvencí f0 = 100 kHz. A šířce pásma B0 = 20kHz. Dále předpokládáme, že intenzita vysílaného signálu se bude v Praze pohybovat okolo E0 = 1mV/m. Výstup z přijímače je nutné zpracovávat na PC tudíž výstup přijímače musí být interfacem běžného PC.
3.1. 1UTIKVIKVûOP«SGËK 3.1.1 Přehled koncepcí Při volbě koncepce jsou na výběr dvě možnosti. Přijímač s přímým zesílením a přijímač s kmitočtovou konverzí. První možností je výše zmíněný přijímač LORAN s přímým zesílením (PZ). Ten se skládá z antény, pásmové propusti, zesilovače, vzorkovače a interface pro komunikaci s PC. V praxi se jedná o propojení několika integrovaných obvodů. HW řešení je to malé a elegantní nicméně požaduje vytvoření spolehlivé komunikace USB a PC a na základě toho odlaďovat přijímač.
Obr. 13. Blokové schema PZ
13
__________________________4 Návrh přijímače __________________________ Druhou možnou koncepcí je přijímač s kmitočtovou konverzí (PKK). Tato koncepce se skládá z antény, pásmové propusti, zesilovače, směšovačů, výstupních filtrů a koncového zesilovacího stupně. Tato koncepce je sice rozměrově větší nicméně velmi zjednodušuje softwarovou část řesení úkolu.
Obr. 14. Blokové schema PPK
3.1.2 Společné části obou koncepcí 3.1.2.1 Anténa
Jako antenu pro přijímač LORAN lze použít následující typy antén: rámová, feritová či prutová anténa. Pro navigační účely je nutné, aby anténa měla všesměrovou charakteristiku. V případě, že by by ji neměla je nutné použít slučovač signálů z více antén, například 2 feritové antény ložené kolmo na sebe spojené přes slučovač tak, aby signál z každé antény byl posunut o +-45°. Pokud bude uvažován signál DCF77 jako signál podobné intenzity, pak by měla stačit anténa s podobným ziskem jako má DCF77, ovšem s šířkou pásma 20 kHz. DCF přijímač (Conrad 19 06 91) používá feritovou anténu 8x50mm: Feritovým anténám nevadí překážky typu zdí, proto fungují i v místnostech. Na lodich jsou ovšem spíše používnány unipólové prutové antény délky 210 cm.
14
__________________________4 Návrh přijímače __________________________
Obr. 15. Příklad DCF přijímače
3.1.2.2 Předzesilovač
Klasicky se do zapojení dává za anténu nízkošumový FET se společným drainem. FET má vstupní impedanci 1010–1015 Ω, to znamená, že prakticky nezatěžuje anténu. Použitím zapojení se společným kolektorem se zároveň dosahuje nízké výstupní impedance v závislosti na Rs. Výstup tohoto tranzistoru se podle potřeby zesílí dalšími BJT v zapojení se společným emitorem. Zesílení lze také dosáhnout aktivním filtrem s nízkošumovými operačními zesilovači. Tato varianta je složitější a méně odolná proti přebuzení. 3.1.2.3 Filtr pásmová propust (PP)
Pro určení filtru je nutné vědět co bude filtrovat. K tomu slouží následující tabulka zastoupení radiopásem 20 kHz až 535 kHz. Místo
Země
Rusko Anthorn Anglie Prangins Švýcarsko Frankfurt Německo Svět Svět Evropa
Frekvence
Výkon
<30kHz 60kHz 75kHz 77,5kHz 100kHz 283 - 324kHz 150 - 530 kHz
20kW - 2 MW 15kW 20kW 75kW 100kW - 1MW 750W - 3kW 50-2000W
Účel Vojenský - Komunikace s ponorkami(ALPHA) MSF = časový normál HBG = časový normál DCF77 = časový normál LORAN C = hyperbolická navigace DGPS = diferenciální GPS NDB/ADF = navigace
Tab. 2. Pásmo dlouhých vln
Tabulka ukazuje, že pásmo 90 – 535 kHz je určeno pro navigace. Tyto signály mají od signálu LORAN velmi odlišný charakter. Přesto je nutné tyto signály filtrovat. A to hlavně proto, že jejich amplituda může být větší než amplituda signálu LORAN. A to vede nejen na zarušení chtěného signálu, ale může vést dokonce až k přebuzení přijímače. Přijímač se tímto dostane 15
__________________________4 Návrh přijímače __________________________ do nelineární oblasti a
následkem toho dojde k výraznému zkreslení signálu. Z výše
zmíněného důvodu je nutné použít filtr s co nejvyšší možnou strmostí. Druhou prioritou filtru je konstantní fázové zpoždění. Důvodem je
potřeba
konstantního zpoždění přes celé zpracovávané pásmo. Pokud by filtr neměl konstantní fázové zpoždění signál by byl pro některé frekvence posunutý více a pro jiné méně. To by vedlo na chybné určení polohy.
3.1.3 Rozdílné části obou koncepcí 3.1.3.1 USB interface pro PZ
Volba komunikačního rozhraní mezi přijímačem a PC závisí na objemu přenášených dat. K bezchybné rekonstrukci dat je dle Shanonova vzorkovacího teorému zapotřebí minimálně dvojnásobné vzorkovací frekvence oproti maximální frekvenci vzorkované.
:V
2S ! 2: N T
(3.1)
Dále pak bude signál vzorkovaný 16 bitovým A/D převodníkem, což ve výsledku dává objem přenesených dat :
D
Rozlišení 2 :N
D 16 2 110000
D 3,52Mbps
(3.2) (3.3) (3.4)
V reálném světě je nutné použít 4 až 5 krát vyšší vzorkovací frekvence. Z tohoto důvodu je v nutná 4 až 5 krát (14,08 až 17,6Mbps) vyšší přenosová rychlost. Čím víc se filtr před vzorkovacím obvodem blíží ideálnímu, tím je potřebná vzorkovací frekvence nižší. Pro objem dat přenášených signálem LORAN je tedy vhodné zvolit sběrnici USB, která je v poslední době hojně využívána. Tato sběrnice používá 3 rychlosti: Low speed (1 Mbps), Full Speed (12 Mbps) a High Speed (480 Mbps). Pro účely přijímače je nutné použít High Speed (480 Mbps), ta zajištuje dostatečnou přenosovou rychlost. Pro tyto účely je nutné přenášet vše v isochronním režimu a nikoliv v režimu bulk. Isochoronní režim zajišťuje přesně definované časové intervaly během, kterých vysílá v přesných časových intervalech a narozdíl od režímu bulk neposkytuje opravy chyb 16
__________________________4 Návrh přijímače __________________________ způsobených při přenosu dat. Poskytuje však informaci o přijetí dat či o chybě způsobené při přenosu. Isochronní režim se používá například u záznamu zvuku či jiných aplíkací, kde preferováno přenášet data v přesných intervalech a nejde až tolik o bezchybný přenos. Zpracování signálu je ponecháno kompletně na straně PC. Bylo by tedy nutné převést signál z USB do MATLABu k další analýze. Interface FIFO Ù USB lze zajistit pomocí integrovaného obvodu FT245B firmy FTDI s přenosovou rychlostí 3 MBps, která k čipu dodává též ovladače jak pro virtuální port tak přímo pro komunikaci, a to pro všechny běžné operační systémy. 3.1.3.2 A/D převodník pro PZ
A/D převodníky se volí podle požadovaného kmitočtu, doby převodu, vstupů a výstupů. Pro přijímač je nutné zvolit převodník jenž zvladne, alespoň 250 kSps s rozlišením 16 bit. Vstup bude sériový a výstup buď 16 pinů paralelně nebo 8 pinů pro mikrokontrolery. Pokud je použit výstup pro mikrokontrolery 16 bitový A/D převodník nejdřív vyprodukuje prvních 8 bitů a po přepnutí určitého pinu vydá i druhých 8 bitů. Výhodné je mít A/D převodník, který má implicitně konstantní dobu převodu, aby nebylo potřeba mikrokontroleru k řízení celého přijímání. 3.1.3.3 Směšování do komplexní obálky pro PKK
Signál LORAN je pásmovým signálem. To znamená, že má spektrum o šířce pásma B0 = 20 kHz soustředěné kolem nosného kmitočtu f0 = 100 kHz. Tento pásmový signál lze v teorii užívané k odvození a simulacím vyjádřit komplexním signálem. Pro praktické zapojení jsou k dispozici pouze reálné signály. U signálu LORAN by dvojice reálných frekvencí tvořících komplexní obálku byla 10 kHz.
s(t ) a(t ) jc(t )
(3.5)
svf (t ) Re ª¬(a(t )) jc(t ))e jZct º¼ a(t ) cos(Zct ) c(t )sin(Zct )
(3.6)
Vyjádření vf signálu pomocí dvou nf signálů nazýváme ortogonální reprezentací vf signálu. Signál a(t) nazýváme soufázová složka a signál c(t) kvadraturní složka. Pro získání nf signálů a(t), c(t) z daného vf signálu používáme filtrační metodu a metodu fázového posunu. Viz [6]. Z čehož vzniknou vztahy:
17
__________________________4 Návrh přijímače __________________________
a(t )
svf (t ) cos(Zct ) sˆvf (t )sin(Zct )
c(t ) svf (t )cos(Zct ) svf (t )sin(Zct )
(3.7) (3.8)
Signál svf vyjadřuje hilbertovu transformaci vf signálu. Pomocí inverzní hilbertovi transformace. A omezením na reálné kmitočty dostáváme:
a(t ) c(t )
(2s
vf
(t ) cos(Zct ) h(t )
2svf (t )sin(Zct ) h(t )
(3.9) (3.10)
Obr. 16. Blokové schema převodu na komplexní obálku
3.2. @\URKTGXINOZKQZ[XG Prioritou pro stavbu přijímače je jednoduchá konstrukce a jednoduché ověření funkčnosti. Přijímač PKK používá jen hardwarové řešení. Záznam signálu je proveden programem, který umí zaznamenávat zvuk stereofonně do formátu WAV. A zpracován programem MatLab. Z tohoto hlediska je PKK velmi jednoduchý. Funkčnost může být ověřena
na
signálovém generátoru a výstup na osciloskopu. Tato koncepce je tedy mírně složitější na HW část, ale mnohem jednodušší na SW část práce. Proto bude navrhována koncepce PKK.
18
4 Návrh přijímače 4.1. 'TZKTG Požadavek na antenu je, aby fungovala v místnostech a to vylučuje jak rámovou tak prutovou anténu. Zbývá tedy jen feritová tyčová anténa. Základem feritové antény je paralelní rezonanční obvod. Indukčnost tvoří feritová tyčka, která je omotána opředeným nebo jinak izolovaným drátem. Tyto antény mají osmičkovou charakteristiku, která se zmenšující se délkou feritové tyčky je méně směrová. Narozdíl od drátových antén přijímají magnetickou složku elektromagnetického vlnění proto je lze využít i v místnostech bez výraznější ztráty zisku.
Obr. 17. Ilustrační obrázek feritová anténa
4.1.1 Účinnost antény Účinnost antén je mnohdy podceňovaná věc - když je nízká, přece stačí přidat na výkonu. Ale u přijímače slabých signálu není zanedbatelná. Tento údaj říká kolik energie se ztratí ze signálu při průchodu anténou do přijíače. A lze ji spočítat následujícím způsobem.
Vyzařovací odpor cívky je zvýšen pomocí feritového jádra:
RR
§ P nS · 31200 ¨ e 2 ¸ © O ¹
19
2
(3.11)
__________________________4 Návrh přijímače __________________________ Veličina P e je ve vzorci relativní permeabilita, S je průřez jádra, n počet závitů a O vlnová délka procházející anténou. Podle vzorce je tedy zřejmé, že navýšení P e tisíc krát zvýší vyzařovací odpor milion krát. Bohužel to plati jen v ideálním případě. V reálném případě je část energie signálu využita k převracení polarizace domén. Ztráty vyzařovacího odporu jsou : R f | 2SfP e
S P' ' P0 n 2 f lf P'
(3.12)
Kde P ' ' je imaginární část a P ' je reálná část ztráty permeability feritového S f je plocha průřezu tyčky a l f je délka. K celkovým ztrátám je pak třeba připočíst odpor vodiče namotaného kolem tyčky.
Obr. 18. Model feritové antény
RR RR R f R z
K
(3.13)
4.1.2 Rezonanční frekvence a šířka pásma Pro příjem signálu LORAN-C je nutné naladit anténu na frekvenci 100 kHz s šířkou pásma 20 kHz. Vzhledem k poklesu frekvenční charakteristiky antén je lepší volit šířku pásma alespoň dva krát větší. K výpočtu rezonanční frekvence je nutné znát indukci a kapacitu. Pro šířku pásma pak jakost, která je převrácenou hodnotou šířky pásma. Indukce anteny je :
Lf
Pe P0 n 2
Sf lf
20
(3.14)
__________________________4 Návrh přijímače __________________________ Kombinací s vhodnou kapacitou můžeme dosáhnout rezonanční frekvence :
1 2S
f0 |
1 Lf C
(3.15)
S jakostí : Q{
2Sf 0 L f
f0 'f hp
R RR R f
(3.16)
Veličina 'f hp je polovina výkonu na polovinu šířky pásma výsledné rezonance.
4.1.3 Postup zvolený v této práci Výše popsaný postup lze použít v případě, že feritová tyčka má definované parametry. Bohužel se nepodařilo zajistit feritovou tyčku s datasheetem, který by specifikoval jeji vlastnosti a tak bylo nutné vymyslet jiný postup. Katedra radiotechniky vlastní přijímače DGPS, které využívají právě feritové antény proto bylo vyhodné je využít i pro výrobu přijímače LORAN. K určení indukce neznámé cívky využijeme Q-metr, paralelní kombinací cívky a laditelného kondenzátoru o hodnotě 200pF byla na Q-metru zjištěna rezonanční frekvence f0 = 200 kHz. K určení indukce využijeme vztah pro paralelní rezonanční obvod : f0 L1
1
(3.17)
2S LC 1
f0 2S
2
(3.18)
C
1
L1
2 10
L1
3.3mH
5
2S 2 1010 2
(3.19) (3.20)
Bohužel kvůli neznámé veličině P r nešlo vypočíst vlastnosti antény přímo podle prvního postupu a ani odhad nebyl možný, protože se tato veličina pohybuje u feromateriálu
21
__________________________4 Návrh přijímače __________________________ v rozmezí 100 < P r <10000. Na hotové cívce je možné odečíst počet závitů N1 = 244. Podle následujícího postupu pak jednoduše pro požadovaný kmitočet odvodit počet závitů.
L
P0 P r N 2
S l
(3.21)
Veličina P r je relativní permeabilita, P 0 je konstanta udávající permeabilitu vákua, N počet závitů cívky, S je průřez jádra a l je délka jádra.
P0 P r
L1l SN12
(3.22)
P0 P r
L2l SN 22
(3.23)
Položíme konstantní části do rovnosti P0 P r
L1l SN12 L2
L2l SN 22
P0 P r
(3.24)
SN12l L1lS
N 22
(3.25)
N12 L1
N2
(3.26)
L2
Pro zadanou kapacitu 390 pF a kmitočet 100 kHz odvodíme L 2 . A to tak, že:
1
L2
110
L2
6,5mH
5
2S 3.9 1010 2
(3.27) (3.28)
Zvýšením indukce se dosáhne podle (3.11), vyššího vyzařovacího odporu a tím také vyšší efektivity antény. Konečný počet závitů pak odvodíme podle (3.29).
22
__________________________4 Návrh přijímače __________________________
N2
L2
N12 L1
(3.29)
(3.30)
L2
2442 3,3 6,5mH
N2
343
(3.31)
N2
6,5
4.1.4 Výsledek přemotání antény Původně:
N1
244
L1
3,3mH
C2
200 pF
Přemotáno:
N2
344
L2
6,5mH
C2
390 pF
4.1.5 Schema zapojení antény Výsledná anténa má šířku pásma pouhý 1 kHz. Pro potřeby přijímače bylo potřeba snížit jakost antény a tím rozšířit šířku pásma. Potřebná šířka pásma byla odvozena ze simulací v programu PSpice.
Obr. 19. Schema použité antény
23
__________________________4 Návrh přijímače __________________________
Obr. 20. Simulace - ideální antena
Obr. 21. Simulace - zatížená anténa
4.2. 6ûKJ`KYORU\GË Předzesilovač je zařízení, které přizpůsobuje signál přicházející z antény dalšímu zpracování. Funguje především jako impedanční oddělení antény a také signál zesiluje signál do řádu milivolt. Na první stupeň zesilovače připadá impedanční oddělení a k tomuto účelu je ideální vysokofrekvenční unipolární tranzistor, který disponuje šířkou pásma v hodnotách stovek megahertzů vstupní impedanci v řádu stovek až tisíců megaohmů. Konkrétně je použit tranzistor BF256A, jehož specifikace jsou uvedeny na CD stejně jako specifikace ostatních součástek. Pro druhý stupeň zesilovače je použit vysokofrekvenční nízkošumový bipolární tranzistor BF255, který je vhodný zvláště kvůli svému vysokému proudovému zesílení.
24
__________________________4 Návrh přijímače __________________________ V návrhu je také počítáno s tím, že přijímaný signál může být příliš slabý a tak je v návrhu zahrnut ješte třetí stupeň podobného charakteru jako je stupeň druhý. 4.2.1 První stupeň
Obr. 22. První stupeň zesilovače
Odpor RL1 je volen 1 k Ω k omezení vstupního proudu I = 0,015 A. Výstupní impedance BF256A je definována pro : GM = 5 mS; RL1 = 1000 Ω
Rout
1 || Rs gm
(3.32)
Rout
200 ||1000
(3.33)
Rout
1 1 1 200 1000
Rout | 166:
(3.34) (3.35)
Vstupní impedance téhož tranzistoru je definována :
Rin
U GS I GSSS
(3.36)
Rin
20 5 109
(3.37)
Rin
4G:
(3.38)
25
__________________________4 Návrh přijímače __________________________ Při takovém vstupním odporu nebude hrát impedance antény roli. Z toho lze odvodit výstupní napětí:
uS
RL id
(3.39)
Protože ig je zanedbatelné můžeme psát
id
g mugs
g m (ug us )
(3.40)
Z toho vyplývá
us
RL g m ug (1 RL g m )
(3.41)
100PV , výstupní napětí bude:
Předpokládáme-li vstupní napětí u g
us
103 5 103 100 106 3 3 1 10 5 10
(3.42)
us
83 106V
(3.43)
4.2.2 Druhý stupeň
Obr. 23. Druhý stupeň zesilovače
K určení pracovního bodu je volen Rb je voleno 22 kΩ. A to tak, že omezuje vstupní proud.
Rin
h fe RE || RB 26
(3.44)
__________________________4 Návrh přijímače __________________________
Rin
(100 47) || 22000
Rin | 3,8k :
(3.45) (3.46)
Zlomová frekvence horní propusti fz = 4 kHz
Cv1
1 2S fRin
(3.47)
Cv1
1 6, 28 4000 3,8 103
(3.48)
Cv1 1, 047 108 F Cv1 10nF
h fe RE
(3.49)
ub
ucc
ub
15
ub
2, 4V
(3.52)
RC
U cc 2 Ic
(3.53)
RC
7,5 1, 6 102
(3.54)
RC
468:
(3.55)
RC || RCT
(3.56)
RB 100 47 2,1104
(3.50)
(3.51)
RC bude tedy 470 Ω.
Rout
Rout | RC Rout
(3.57)
470:
Volím napěťové zesílení 10. RE bude 47 Ω. 27
(3.58)
__________________________4 Návrh přijímače __________________________
RC ub RE
uc
uc
10 ub
(3.59) (3.60)
Volené zesílení je stejné jak pro stejnosměrnou tak střídavou složku. 4.2.3 Třetí stupeň
Obr. 24. Třetí stupeň zesilovače
Tento stupeň má funkci doladění zesílení a byl navržen experimentálně. Trimr RB32 má hodnotu 5,6 kΩ a nastavuje se jím vstupní impedance. Hodnota odporu emitoru je zvýšena na 100 Ω, kvůli větší stabilizaci zesílení. Odpor v zátěži RZ3 o hodnotě 15 kΩ tvoří s RC napěťový dělič. Bez RZ3 by mělo být výstupní napětí mnohem nižší. 4.2.4 Shrnutí Navržený zesilovač by neměl vykazovat znatelné nelineární zkreslení na rozsahu vstupních hodnot 50 μV – 10 mV a požadováném pásmu 100 kHz.
Jeho napěťové zesílení je
odhadováno na 40 násobné ovšem pomocí napěťových přizpůsobení by napětí mělo být alespoň 2x větší.
28
__________________________4 Návrh přijímače __________________________
4.3. ,ORZX 4.3.1 Požadavky na filtr V kapitole 3 byl zmíněn požadavek na malé zkreslení signálu a to jak amplitudově tak fázovým zpožděním. Velká strmost filtru v kombinaci s nízkým šumem je další prioritou. Hledáme tedy filtr typu pásmová propust pro pásmovou frekvenci f0 = 100 kHz o šířce pásma signálu B0 = 20 kHz s minimálním zkreslením. K dosažení konstantního fázového zpoždění je vhodné použít Besselovu aproximaci filtru, tato aproximace má nevýhodu v malé strmosti. Filtr lze kvůli velké šíři pásma navrhnout taktéž spojením dolní a horní propusti jiných aproximací. Což může být na návrh složitější. Následující obrázky uvádějí srovnání různých druhů filtru:
Obr. 25. Fázová char. zákl. filtrů
Obr. 26. Frekvenční char. zákl. filtrů
Obrázky ukazují rozdíly mezi hlavními typy filtrů. Zatímco Čebyšev má zhruba 2 krát strmější charakteristiku než Butterworth. Bessel je bez překmitů a má konstantní skupinové zpoždění. Do úvahy je nutné brát, že nízké řády Besselovy aproximace nejsou zdaleka ideálním filtrem a s tím jak se frekvenční charakteristika blíží zlomové frekvencí klesá amplituda přenosu. Požadavkem na filtr je, aby minimálně zkresloval amplitudu v celém propustném pásmu, proto je vhodné zvětšít propustné pásmo filtru 1,5 až 2 krát. Zkreslení signálu dále lze ovlivňovat dalšími parametry jako je: zvlnění v propustném pásmu a atenulace zlomových frekvencí. Bf = 30 kHz. Atenulace na zlomových frekvencích byla zvolena 1,5 dB.
29
__________________________4 Návrh přijímače __________________________ Řád filtru volíme podle požadovaného útlumu při určitém kmitočtu, který najdeme v grafu Besselovy aproximace (např v [5]). Při návrhu se zjistilo, že přenos počítáný v programu MATLAB není shodný s aproximací uvedené v literatuře, frekvenční charakteristika pro filtry Butterworth a Bessel jsou v tomto program shodné. Liší se pouze ve frekvenční charakteristice. Z toho důvodu slouží pro návrh informace z [5]. Pro požadavky filtru byl zvolen řád N = 6 s útlumem -80 db/dek. Realizace filtru musí být zvolena tak, aby zajištovala minimální šum a dobrou odolnost proti přebuzení. Zároveň by měla být snadno vyrobitelná a měnitelná, jelikož potřebné vlastnosti se při návrhu mohou nezanedbatelně měnit. První možností je použít pasivní filtry, které mají nizký šum a jsou odolnější proti přebuzení na druhou stranu jsou méně výhodné na změny vlastností a to z důvodu použití cívek. Výše bylo zmíněno, že je filtr 6 řádu pásmová propust, to znamená 6 indukčností. Předělávání tohoto filtru by se mohlo prodražit. Druhou možností je použití aktivních filtrů s JFET nízkošumovými operačními zesilovači. Výhodou je cena variabilita. Použitím aktivních prvků se signál více zašumí, to by nemuselo vadit vzhledem k použitému předzesilovači. Jediným problémem se může stát přebuzení operačních zesilovačů tím by se dostali do nelineární oblasti a výrazně zkreslily signal. Po zvážení pro a proti bude realizace probíhat na aktivních prvcích.
4.3.2 Návrh Popis a návrh základních filtrů včetně jejich vlasností je popsán v [3]. Přesto, že je návrh standardních filtrů pouhým dosazením tabulkových hodnot do vzorců, je to pro pásmovou propust 6. řádu poměrně hodně počítání. Proto byl při návrhu použit softwarový návrh programem Filter Solutions 2006 fy. Nuhertz. Tento software velmi mocným nástrojem pro návrh běžných filtrů do 20. řádu či pásmových propustí nebo zádrží maximálně 10. řádu. Narozdíl od výše zmíněné literatury software Filter Solutions, podle zisku aktivních filtrů zakomponovává Multi-Feedback Topology, k zvýšení stability při vysokých ziscích. Jeho výsledky je ovšem nutné bedlivě sledovat, snadno lze dopočítat nesmysly typu Q = 5.10 5, nesmyslné přenosy a tak dále. Při nastavení všech parametrů jeho výsledky jsou uspokojivé a vzhledem k tomu, že umožňuje ukazovat velmi rychle frekvenční, fázovou charakteristiku i
30
__________________________4 Návrh přijímače __________________________ fázové zpoždění je jeho pomoc neocenitelná. Dále umožnuje výměnu jednotlivých součástek podle řad prodávaných v obchodech a následně ukáže odchylku od ideálních hodnot. Před použitím byl tento software otestován na jednoduchých filtrech a výsledek ověřen na spektrálním analyzéru. Výsledky měly chybu menší než 10%. Z toho důvodu bude zmíněn jen návrh filtru pomocí tohoto softwaru.
Obr. 27.Ovládací panel Filter Solutions
Z výše uvedeného obrázku je vidět nastavení programu. Vybraná aproximace je Bessel. 6 řád pásmová propust (celkem tedy 12.řád). Střed propustného pásma je 100 kHz jeho šířka 30 kHz. Atenulace na krajích propustného pásma je 1.5 dB. Filtr je realizován pomocí kladných Single Amplifier Biquads. Každý člen je co nejvyššího řádu skládající se z horních a dolních propustí. Následující obrázek pak ukazuje nastavení parametrů operačního zesilovače (OP37).
Obr. 28. Nastavení OZ v Filter Solutions
Software umí ukázat jak simulaci tak výslednou realizaci. Obojí je uvedeno na následujících obrázcích. 31
__________________________4 Návrh přijímače __________________________
Obr. 29. Simulace filtru na reálných součástkách
32
__________________________4 Návrh přijímače __________________________
Obr. 30. Schema zapojení filtru z Filter Solutons
Zisky jednotlivých stupňů jsou Au = 2 Au = 1 Au = 5 Au = 1.5 Výsledné Au = -5 dB. Atenulace na hranicích propustného pásma jsou -0.7 a -0.25 dB. Skupinové zpoždění je 10.8 – 12 μs.
4.4. -KTKXZUX Pro vyvoření komplexní obálky je nutné vygenerovat sinový a kosinový signál o frekvenci 100 kHz. V tomto případě se bude jednat o signal obdelníkový v úrovni 200 mV P-P. Tento generátor generuje obdelníkový průběh s frekvencí 10 MHz, využívá obvodu s negacemi 74LS04. Výstupní negace pak zajištuje lepší tvar průběhů. Za tento obvod je připojena dvojice dekadických děliček 74LS90 v režimu dělení frekence pěti.
33
__________________________4 Návrh přijímače __________________________
Obr. 31. Generátor TTL signálu 400kHz
Výstupních 400 kHz jde do dvojného JK klopného obvodu, který signál vydělí čtyřmi. Tento signál je potom přiveden na klopný obvod D(delay), který používá 400 kHz jako hodiny. Signál z JK je proto posunut podle frekvence 400 kHz což je ¼ periody 100 kHz. Tento signal je potom zbaven špiček a přes dělič převeden na 200 mV P-P. Do směšovače potom vede skrz stíněné kabely.
Obr. 32. Vyrobí fázově posunutý signál
4.5. 9SÙăU\GË Směšovač je tvořen obvodem NE602, který funguje na principu gilbertovy buňky. Výstupem tohoto obvodu je součet a rozdíl frekvencí proto je nutné součet vyfiltrovat dolní propustí. Výsledná dolní propust je navržena v programu Filter Solutions. Jedná se o LC dolní propust Butterworth druhého řádu. Na každý kanál je použit jeden směšovač. 34
__________________________4 Návrh přijímače __________________________
Obr. 33. Gilbertova buňka
Obr. 34. Zapojení směšovače
4.6. 1UTIU\»`KYORU\GË Jako koncový zesilovač jsou na každém kanálu použity tranzistory BF337 v zapojení se společným emitorem (Au = 10) a neinverutjící operační zesilovač LF347N (Au = 4700).
35
__________________________4 Návrh přijímače __________________________
Obr. 35. Zapojení koncového zesilovače
36
5 Naměřené hodnoty 5.1. 4GVPKI«UH\UJ_ Obvod byl napájen školním stabilizovaným symetrickým zdrojem Tesla BK 125 (±15V). Z něhož jsou napájeny operační zesilovače napětím ±15 V. Tranzistory jsou napájeny pouze +15 V a logicke obvody přes 7805 5 V.
5.2. 3Ùû«I«Vû«YZXUPK Pro generování signálu byl pouźit Vector Signal Generator Rhode&Schwarz SMV 03 s rozsahem 9 kHz – 3,3 GHz. Pro měření charakteristik filtru potom spektrální analyzér Rhode&Schwarz FSP s rozsahem 9 kHz – 3,3 GHz. Zesílení, průběhy a demodulované frekvence byly měřeny na osciloskopu Agilent Infimum 54833 MSO 4 GS/s.
5.3. <»YRKJQ_ 5.3.1 Anténa Byla vytvořena podle postupu v kapitole 4. Výsledná šířka pásma je 50 kHz se standardním poklesem -3 dB a středovou frekvencí 103,5 kHz. Tyto hodnoty byly, měřeny na zmíněném osciloskopu, zdrojem testovacího signal byl vodič připojený ve smyčce ke generator Rhode&Schwarz SMV 03. Bohužel, zisk antény se nepodařilo spočítat ani naměřit, jelikož nebylo k dispozici potřebné vybavení a informace.
37
Obr. 36. Výsledná feritová anténa 5.3.2 Filtr Vlastnosti filtru byly ověřeny na výše zmíněném spektráním analyzátoru. Tyto hodnoty úplně neodpovídají nasimulovaným hodnotám, jelikož filtr má pozměněné zesílení ve druhém a čtvrtém stupni tak, aby přenos dával 0 dB. Charakteristika filtru se liší od simulace minimálně.
Obr. 37. Frekvenční charakteristika filtru
38
5.3.3 Zesílení Zesílení přijímače bylo měŕeno přiložením vstupního napětí místo antény a odečítáním výstupního napět na osciloskopu pro vstupní napětí 46 μV a 102,5 kHz. Generátor udává efektivní hodnotu výstupního napětí.
Obr. 38. Ukázka kvality zesílení 50μV
Pro vstupní napětí 500 μV je pak průběh následující :
Obr. 39. Kvalita zesílení 500μV.
39
Z obrázků plyne, že přijímač má zesílení Au = 2000. Tato úroveň signálu stačí na záznam signálu zvukovou kartou AC97, na které bylo vyzkoušeno, že zaznamenaný signál o úrovni 1 mV lze ještě slyšet. Horní omezení signálu je asi 1 V. 5.3.4 CLK Při realizaci generátoru byl použit původně pouhý J-K klopný obvod. S tím se přivedly do obvodu hazardy, které byly odstraněny až s použitím D klopného obvodu viz návrh.
Obr. 40. Vstupní signál do směšovače
5.3.5 Rušení Při realizaci bylo problémem rušení od logiky. Logika byla posléze přenesena na jinou desku a její signál byl veden stíněným kabelem do směšovače. Snížení rušení též pomohly filtrační kondenzátory na výstupu generátoru. Tím se omezilo velké množství vyšších harmonických. Rušení se především projevovalo u tranzistorů a to tak, že se toto rušení superponovalo na výstupní signál což u malých signálů bylo špatné. Množstvím kondenzátorů se zamezilo přenosu špiček a dalšího rušení. Především v napájení logických
40
obvodů bylo nutné použít několik kondenzátorů v rozsahu několikra řádů (50 pF, 3,3 nF, 100 nF, 4,7 uF). Výsledné rušení v napájení vypadá takto :
Obr. 41. Rušení v napájecí větvi
5.3.6 Realizace Realizace je provedena z praktických důvodů na nepájivém poli. Důvodem je výhoda v rychlosti výmněny součástek. Tyto desky lze použít na frekvence o jeden až dva řády vyšší než jsou frekvence LORANu. Nevýhodou je nepevné provedení, takže je nutné s zařízením zacházet nad míru opatrně. Najít špatný kontakt pak může trvat dlouho. Další nevýhodou jsou parazitní kapacity a indukčnosti, které na funkci přijímače měly zanedbatelný vliv.
41
Obr. 42. Logická část
42
6 Závěr V této práci se povedlo analyzovat možnosti přijmu signálu LORAN-C v Praze. Zdroje se shodují v tom, že signál je na našem území slabý a nelze od něj očekávat velkou přenost určení polohy. Nicméně signál byl zachycen v jižních čechách ing. Janem Šafářem z katedry radiotechniky na běžný přijímač s velkou prutovou anténou. Lze proto usuzovat, že zachytit signál na našem území lze. Jeho intenzita je ovšem neznáma. Dalším úkolem, který tato práce splňuje je vývoj radiové části přijímače na 100 kHz signál s výstupem na stereo jack. Podle měření tento přijímač je schopen zaznamenávat signál od 50 μV – 500 μV při větších signálech je výstup vyšší než dovolené napětí na zvukové kartě. Při vstupních napětích větších než 1.2 mV dochází k přebuzení a k výraznému nelineárnímu zkreslení signálu. Bohužel se v této práci nepodařilo dosáhnout přijímu navigačního signálu. A to ani po vyfiltrování signálu filtrem s klouzavým průměrem. Nepodařilo se ze signálu zjistit nic než šum. Problémů s přijmem je několik. Jednak je problémem anténa, která je zatlumená odporem a její zisk není znám. Druhak zarušené prostředí Prahy či to, že průběh testování probíhal v uzavřených prostorách. V současném stavu vývoje by bylo nutné použít lepší například unipólová anténa délky 10 metru. A se zařízením na nějaký kopec k německým hranicím a tam se pokusit přijímat signál. K tomu by bylo vhodné celý přijímač přiletovat na desku plošných spojů
43
7 Literatura [1]
Vedral, J., Fischer, J.: Elektronické obvody pro měřící techniku. ČVUT, Praha 2004
[2]
Hlaváč,V., Sedláček,M.: Zpracování signálů a obrazů. ČVUT, Praha 2000
[3]
Hájek,K., Sedláček,J.: Kmitočtové filtry. TL BEN, Praha 2002
[4]
Hrdina,Z., Vejražka,F.: Signály a soutavy. ČVUT, Praha 2000
[5]
Rhode, U., Whitakr, J.: Communication receivers: DSP, software radios, and design., McGraw-Hill, New York 2001
[6]
LORAN-C signal specification.(Online) http://www.navcen.usgc.gov
[7]
Horowitz, P., Winfield, H., The Art of Electronics. Cambridge UP, New York 1989
[8]
Good, JF., Aviators Guide to Loran-C., Aksunai Pr., New York 1984
[9]
Megapulse
Company
website(online),
Loran-C
chain
frequencies
and
outputs
http://www.megapulse.com/chaininfo.html [10]
Transportation
Research
Group(online),
Radio
navigation
http://www.trg.soton.ac.uk/rosetta/workareas/6b_rnv/rnv_pr1_background.htm
44
45
390 pF
10 K
10 K
1 0K
1 20p F
1K
10K
S
1 0K
47 pF
1 0K
10n F
22K
68 pF
22K
10 K
Q = 0.81 F0 = 374 kHz
47R
10 nF
47 0R
+ 15V
10K
68 0p F
27p F
5 ,6K
10K
10 MHz
100 nF
3 30Ω
10 MHz
/5
74L S9 0
/5
74LS9 0 4 00 kHz /4
74 LS10 7A 1 00 kHz
15 K
Filtr
33 0pF
4K7
1
CLK
D1 D2 Q2
Q1
74 HC5 34B
330 pF
Q = 2,5 F 0 = 11 7,5kHz
1 0K
10 0R
4 70R
+ 15 V
3. Generátor, směšovač a výstupní zesilovač
39 0pF
22 0pF
Před zesil ovač
2. Aktivní filtr
33 0Ω
1
6,5mH
+15V
1. Anténa s předzesilovačem
33 0pF
2 ,2 n F
2
1 KΩ
S ign ál z f il tru
2,2 nF
1K5
33 0pF
2 2K
10 K
1 KΩ
1 0nF
1 nF
3 ,3 nF
15K
1 2 3 4
1 0n F
1 nF
3,3nF
2,2mH
8 7 6 5
10kΩ
+5V
1 5K
2 70p F
4K7
10 K
3 4
1 2
10 nF
2 2kΩ
22 kΩ
Výstup d o zesil ovače
CL K 1 00k Hz 3 ,3nF
10kΩ
+5 V
Směšo vač
Q = 1,58 F 0 = 7 7,18KH z
2 K7
Výstup d o zesil ovače
2,2mH
8 7 6 5
10n F
CL K 1 00kH z 3 ,3 nF
2 10p F
Q = 0 ,6 9 F0 = 25 ,3 9kHz
2 2K
47Ω
4 70Ω
2
4 7Ω
4 70Ω
+5V
1kΩ
1kΩ
4,7MΩ
JAC K 3 ,5
JAC K 3 ,5 4,7MΩ
+5V
8 PŘÍLOHA A: Zapojení
