Репозиторій ЧДТУ
Репозиторій ЧДТУ зберігає і дозволяє легкий і відкритий доступ до всіх видів цифрового контенту, включаючи текст, зображення, анімовані зображення, MPEG і набори даних
Дізнатися більше
Будь ласка, використовуйте цей ідентифікатор, щоб цитувати або посилатися на цей матеріал:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9562| Назва: | Розробка приймально-передавального пристрою КХ діапазону |
| Автори: | Палагіна, Олена Анатоліївна Сторожев, Артем Артемович |
| Ключові слова: | короткохвильовий трансивер;односмугова модуляція (ssb);супергетеродинний приймач;подвійний балансний змішувач |
| Дата публікації: | 2026 |
| Короткий огляд (реферат): | Метою роботи є проектування та розробка завадостійкого приймально-передавального пристрою для роботи в нижньому короткохвильовому діапазоні з використанням сучасної елементної бази |
| URI (Уніфікований ідентифікатор ресурсу): | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9562 |
| Розташовується у зібраннях: | 172 Електронні комунікації та радіотехніка (Радіотехніка та робототехнічні системи) |
Файли цього матеріалу:
| Файл | Опис | Розмір | Формат | |
|---|---|---|---|---|
| 172_Б_РТ_Сторожев_Палагіна.pdf Restricted Access | 3.64 MB | Adobe PDF | Переглянути/Відкрити Запит копії |
Усі матеріали в архіві електронних ресурсів захищено авторським правом, усі права збережено.
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОННИХ ТЕХНОЛОГІЙ, АВТОТРАНСПОРТУ ТА
МАШИНОБУДУВАННЯ
КАФЕДРА РОБОТОТЕХНІЧНИХ І ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНИХ СИСТЕМ ТА
КІБЕРБЕЗПЕКИ
До захисту допущено
завідувач кафедри РТСК
д.т.н., професор
____________ Володимир ПАЛАГІН
"_____" _____________ 2026 року
Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи
бакалавра
(освітньо-кваліфікаційний рівень)
на тему Розробка приймально-передавального пристрою КХ діапазону
Виконав: студент 4 курсу, групи РТ-225
Спеціальності 172 – Телекомунікації та
радіотехніка ,
(шифр і назва спеціальності)
освітньої програми «Радіотехніка та
робототехнічні системи»
(назва освітньої програми)
Сторожев А.А.
(прізвище та ініціали)
Керівник Палагіна О.А.
(прізвище та ініціали)
Рецензент Бондаренко М.О.
(прізвище та ініціали)
Черкаси – 2026
Форма № Н-9.01
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра робототехнічних і телекомунікаційних систем та кібербезпеки
Освітньо-кваліфікаційний рівень бакалавр
Спеціальність 172 – Телекомунікації та радіотехніка
Освітня програма – Радіотехніка та робототехнічні системи
(шифр і назва)
ЗАТВЕРДЖУЮ
Завідувач кафедри __________Володимир ПАЛАГІН
“_____” ___________________ 2026 року
ЗАВДАННЯ
НА КВАЛІФІКАЦІЙНУ РОБОТУ СТУДЕНТУ
Сторожев Артем Артемович ___________________
(прізвище, ім’я, по батькові)
1. Тема проекту (роботи) Розробка приймально-передавального пристрою КХ
діапазону
керівник проекту (роботи) Палагіна Олена Анатоліївна
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання)
затверджені наказом вищого навчального закладу від «13» квітня 2026 року № 94/03-03
2. Термін здачі студентом закінченої роботи “ 01 ” червня 2026 року _________
3. Вихідні дані до роботи: напруга живлення: +12В; потужність споживання: до 30Вт;
робочий діапазон частот у КХ діапазоні: 3.5 - 3.8 МГц; чутливість примача в межах -90 -
100 дБм, селективність по дзеркальному каналу - 30дБ; селективність по сусідньому
каналу - 50дБ; опір антени – 75 Ом; вихідна потужність до 1 Вт.
4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, що їх належить
розробити): аналіз принципів побудови та сучасного стану засобів КХ радіозв'язку;
порівняльний огляд сучасних архітектур КХ трансиверів; обґрунтування тактико-
технічних вимог до пристрою; вибір та обґрунтування структурної схеми трансивера;
проектування функціональних блоків пристрою; охорона праці.
5. Перелік графічного матеріалу (з точним зазначенням обов’язкових креслень, плакатів)
1. схема структурна КХ трансивера; 2 схема електрична принципова пристрою; 3.плата
друкована; 4.складальне креслення; 5. плакат з охорони праці.
.
6. Консультанти з проекту (роботи) із зазначенням розділів проекту, що їх стосуються
Розділ Прізвище, ініціали та посада Підпис, дата
консультанта завдання завдання
видав прийняв
Охорона праці Олексій КОЖЕМ’ЯКІН
старший викладач кафедри
безпеки життєдіяльності
7. Дата видачі завдання 13 квітня 2026 року
КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН
№ Назва етапів дипломного проекту Термін
з/п (роботи) виконання етапів Примітка
проекту (роботи)
1. Аналіз технічного завдання та пошук
літератури 13.04.26 – 17.04.26
Аналіз сучасних загроз витоку мовної
інформації та методів її захисту 18.04.26 –23.04.26
2. Теоретичне обґрунтування та розробка
методу формування мовоподібної завади 24.04.26 – 29.04.26
Розробка алгоритму генератора 30.04.26 – 08.05.26
мовоподібної завади на основі hmm
3. Експериментальні дослідження та оцінка 09.05.26 – 15.05.26
ефективності розробленої системи
Аналіз особливостей практичної реалізації
моделі активного захисту при 16.05.26 – 19.05.26
застосуванні платформи raspberry pi
7. Виконання розділу охорони праці 20.05.26 – 25.05.26
8. Оформлення пояснювальної записки 26.04.26 – 29.05.26
9. Оформлення презентації 30.05.26 – 31.05.26
Студент Артем СТОРОЖЕВ
( підпис ) (прізвище та ініціали)
Керівник проекту (роботи) Олена ПАЛАГІНА
( підпис ) (прізвище та ініціали)
ЗМІСТ
ВСТУП 5
РОЗДІЛ 1. АНАЛІЗ ПРИНЦИПІВ ПОБУДОВИ ТА СУЧАСНОГО 6
СТАНУ ЗАСОБІВ КХ РАДІОЗВ'ЯЗКУ
1.1. Призначення та особливості поширення радіохвиль КХ діапазону 6
1.2. Порівняльний огляд сучасних архітектур КХ трансиверів 10
1.3. Обґрунтування тактико-технічних вимог до пристрою 24
1.4. Постановка завдання на проектування 27
РОЗДІЛ 2. ВИБІР ТА ОБҐРУНТУВАННЯ СТРУКТУРНОЇ
СХЕМИ ТРАНСИВЕРА 30
2.1. Розробка та обгрунтування структурної схеми трансивера 30
2.2. Обґрунтування структурних елементів пристрою 37
2.3. Алгоритм комутації режимів «Прийом-Передача» та узгодження 43
вузлів
2.4. Висновки 46
РОЗДІЛ 3. ПРОЕКТУВАННЯ ФУНКЦІОНАЛЬНИХ БЛОКІВ
ПРИСТРОЮ 47
3.1. Розробка схеми фільтрації вхідного кола 47
3.2. Розробка генератора плавного діапазону 49
3.3. Реалізація високої селективності обробки сигналів 51
3.4. Реалізація балансного змішувача 53
3.5. Проектування опорного генератора формування частоти та ПНЧ 55
3.6. Вибір елементної бази при проектуванні пристрою 57
3.7. Розрахунок окремих вузлів пристрою 60
РТ225.22349.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Сторожев А.А. Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Палагіна О.А.. Розробка приймально- 3
Реценз. передавального пристрою КХ
Н. Контр. діапазону ЧДТУ
Затверд. Палагін В.В.
3.8. Висновки 63
РОЗДІЛ 4. ОХОРОНА ПРАЦІ 65
4.1. Аналіз небезпек та шкідливостей, що впливають на співробітника 65
в лабораторії
4.2. Модернізація системи загального штучного освітлення дослідної 75
лабораторії
ВИСНОВКИ 82
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ 83
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
ВСТУП
Актуальність розробки сучасних засобів короткохвильового
радіозв’язку обумовлена їхньою здатністю забезпечувати надійну передачу
даних на великі відстані без використання проміжної наземної або
супутникової інфраструктури. У контексті глобалізації та зростаючих загроз
цілісності мережевих систем, автономність КХ-діапазону (3–30 МГц) стає
критичним чинником стратегічної стійкості інформаційного простору.
Проектування трансиверів, що поєднують у собі перевірені часом
схемотехнічні рішення з елементами сучасної електронної бази, дозволяє
створювати ефективні інструменти комунікації для складних умов поширення
радіохвиль.
Об'єктом дослідження є процеси формування та обробки сигналів у
пристроях аматорського та спеціального радіозв’язку діапазону 80 метрів.
Основна мета роботи полягає у проектуванні стабільного та завадостійкого
приймально-передавального пристрою з використанням подвійного
балансного змішувача на спеціалізованій мікросхемі. Таке рішення забезпечує
високу якість односмугового (SSB) сигналу та чутливість, достатню для
впевненого прийому слабких сигналів на фоні промислових та природних
завад.
В роботі приділено модернізації інженерної інфраструктури лабораторії,
зокрема системі штучного освітлення. Застосування енергоефективних
світлодіодних технологій (LED) дозволяє досягти нормативного рівня
освітленості понад 750 лк. Це не тільки підвищує точність монтажно-
складальних операцій при роботі з дрібними радіокомпонентами, але й значно
покращує загальну пожежну та екологічну безпеку об'єкта за рахунок
відсутності токсичних речовин та низького тепловиділення сучасних LED-
модулів.
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 5
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
РОЗДІЛ 1
АНАЛІЗ ПРИНЦИПІВ ПОБУДОВИ ТА СУЧАСНОГО СТАНУ
ЗАСОБІВ КХ РАДІОЗВ'ЯЗКУ
1.1 Призначення та особливості поширення радіохвиль КХ
діапазону
Актуальність проектування сучасних систем короткохвильового (КХ)
зв'язку обумовлена їхньою унікальною здатністю забезпечувати передачу
інформації на великі відстані без використання проміжної інфраструктури,
такої як супутники або базові станції стільникового зв'язку. У світі, де
глобальні мережі стають все більш вразливими до кібератак, технічних збоїв
або геополітичних конфліктів, автономність КХ діапазону стає критичним
фактором стратегічної стійкості [1]. Сучасні технології цифрової обробки
сигналів дозволяють значно підвищити завадостійкість та пропускну здатність
цих систем, перетворюючи традиційне радіо на високоефективний інструмент
передачі даних, який працює там, де інші види зв’язку безсилі [2].
Розвиток засобів КХ зв'язку сьогодні тісно пов’язаний із концепцією
енергонезалежності та мобільності. На відміну від терміналів супутникового
зв'язку, які потребують прямої видимості неба та значного енергоспоживання,
сучасні трансивери здатні працювати в складних умовах рельєфу та міської
забудови, використовуючи явище відбиття хвиль від іоносфери. Це робить
проектування таких пристроїв пріоритетним напрямом для забезпечення
надійного резервного каналу, який залишається працездатним навіть за умов
повного "блекауту" або руйнування наземних ліній комунікацій, що є життєво
важливим для підтримки керованості та безпеки [3].
Прикладами галузей, де КХ зв'язок залишається незамінним, є морський
та авіаційний транспорт, де він використовується для координації на
трансокеанських маршрутах поза зоною покриття берегових станцій. Також
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 6
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
цей зв'язок є критично важливим для підрозділів екстреного реагування та
гуманітарних місій у важкодоступних регіонах або зонах стихійного лиха, де
стаціонарна мережева інфраструктура відсутня. Окреме місце КХ системи
посідають у забезпеченні спеціального зв’язку для державних структур та
дипломатичних представництв, оскільки дозволяють підтримувати прямий
зашифрований канал між континентами без залучення сторонніх провайдерів
або іноземних космічних апаратів [1, 4-6].
Класифікація радіохвиль є фундаментальною основою радіотехніки, яка
дозволяє систематизувати електромагнітні коливання за їхніми фізичними
властивостями та особливостями поширення. Згідно з міжнародними
стандартами (ITU), весь радіочастотний спектр поділяється на діапазони,
кожен з яких має свою назву, межі частот та відповідні довжини хвиль.
Головний принцип класифікації базується на десятикратному збільшенні
частоти: кожен наступний діапазон охоплює частоти, що вдесятеро
перевищують попередній. Це дозволяє чітко розмежувати сфери застосування
хвиль - від наддовгих, що здатні проникати в товщу води, до міліметрових, які
використовуються в надшвидкісних системах 5G та радіолокації.
Фізична поведінка радіохвиль суттєво змінюється залежно від їхнього
місця у класифікації. Хвилі низьких частот (довгі та середні) мають здатність
огинати земну поверхню за рахунок дифракції, що забезпечує зв'язок на
великих відстанях вздовж горизонту. Натомість хвилі високих частот, зокрема
КХ-діапазон (3–30 МГц), на якому фокусується дана робота, поширюються
переважно за рахунок відбиття від іоносфери. Ультракороткі хвилі (УКХ) та
мікрохвилі поширюються майже виключно в межах прямої видимості, але
вони здатні переносити величезні обсяги інформації, що робить їх ідеальними
для сучасного цифрового мовлення та мобільного інтернету. В табл.1.1
класифікації радіохвиль за частотними діапазонами [7-8].
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 7
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
Табл.1.1 - Класифікації радіохвиль за частотними діапазонами
Абревіатура Межі Довжина
Назва діапазону Основне застосування
(укр/міжнар) частот хвилі
Зв'язок із підводними
Дуже низькі (ДНЧ) ДНЧ / VLF 3–30 кГц 100–10 км
човнами
30–300 Радіонавігація, морський
Низькі (Довгі хвилі) ДХ / LF 10–1 км
кГц зв'язок
Середні (Середні 300 кГц – 1 км – 100 Амплітудне мовлення
СХ / MF
хвилі) 3 МГц м (AM), SOS
Високі (Короткі 3–30 Далекий радіозв'язок,
КХ / HF 100–10 м
хвилі) МГц радіоаматорство
Дуже високі 30–300 FM-радіо, телебачення,
УКХ / VHF 10–1 м
(Метрові) МГц авіація
Ультрависокі 300 МГц Wi-Fi, мобільний зв'язок,
ДМХ / UHF 1 м – 10 см
(Дециметрові) – 3 ГГц Bluetooth
Надвисокі Супутниковий зв'язок,
СВЧ / SHF 3–30 ГГц 10–1 см
(Сантиметрові) радари
Надзвичайно високі 30–300 Радіоастрономія, 5G
ММХ / EHF 10–1 мм
(Міліметрові) ГГц мережі
Короткохвильовий діапазон, що охоплює частоти від 3 до 30 МГц,
займає унікальне місце в радіозв'язку завдяки здатності радіохвиль
поширюватися на тисячі кілометрів. Основною фізичною особливістю цього
діапазону є механізм відбиття хвиль від верхніх шарів атмосфери, що дозволяє
організовувати зв'язок за межами прямої видимості. На відміну від
ультракоротких хвиль, які проходять крізь атмосферу в космос, КХ-сигнали
повертаються на землю, огинаючи кривизну планети, що робить цей діапазон
ідеальним для глобальних комунікацій без використання дорогої супутникової
інфраструктури (рис.1.1) [1, 8].
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 8
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
Рис.1.1 - Розповсюдження радіохвиль КХ діапазону
Стан іоносфери відіграє вирішальну роль у функціонуванні КХ-систем,
оскільки вона виступає в ролі природного "дзеркала". Ступінь іонізації шарів
атмосфери безпосередньо залежить від сонячної активності, часу доби та пори
року. Це змушує розробників та операторів систем зв'язку постійно
адаптуватися до змінних умов: наприклад, частоти поблизу 3–10 МГц зазвичай
ефективніші в нічний час, тоді як верхня частина діапазону (20–30 МГц) краще
працює вдень. Така динамічність середовища вимагає від сучасних пристроїв
гнучкості та можливості швидкого переналаштування робочої частоти.
Одним із головних викликів у цьому діапазоні є високий рівень завад та
замирання (федінг) сигналу. КХ-ефір насичений як природними
атмосферними шумами від грозових розрядів, так і промисловими завадами
від електронних пристроїв. Вплив іоносфери часто призводить до
багатопроменевого поширення, коли кілька копій одного сигналу приходять
до приймача з різною затримкою, викликаючи спотворення. Саме тому при
проектуванні сучасних приймально-передавальних пристроїв критично
важливо закладати алгоритми цифрової обробки, що здатні компенсувати ці
негативні ефекти та виділяти корисний сигнал на фоні шумів.
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 9
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
Вибір цільового сегмента для проектування пристрою багато в чому
визначає його майбутню архітектуру. Для аматорського радіозв'язку
пріоритетом є висока чутливість приймача та можливість роботи з різними
видами модуляції (SSB, CW, цифрові моди). Радіоаматори часто
використовують вузькі ділянки діапазону для встановлення далеких зв'язків
(DX) або участі в змаганнях, що вимагає від трансивера високої селективності
та ергономічності інтерфейсу для оперативного керування параметрами.
У сегменті спеціального та відомчого зв'язку акценти зміщуються в бік
надійності, автоматизації та безпеки. Для таких систем характерним є
використання протоколів автоматичного встановлення зв'язку, які самостійно
обирають найкращу частоту на основі аналізу іоносферного проходження.
Пристрої цього класу повинні забезпечувати стабільну роботу в режимі
передачі даних та мати вбудовані засоби шифрування, оскільки вони часто
стають єдиним каналом комунікації в умовах надзвичайних ситуацій або
віддаленої роботи в польових умовах.
• 1.2 Порівняльний огляд сучасних архітектур КХ трансиверів
Побудова сучасного КХ трансивера базується на принципі розділення та
подальшої обробки сигналів у двох основних режимах: прийому та передачі,
які об'єднані спільною антенно-фідерною системою (рис.1.2) [1].
Рис.1.2 – Структурна схема трансивера
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 10
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
Наведена структурна схема демонструє архітектуру з роздільними
трактами, де ключовим вузлом є антенний комутатор. Його функція полягає
у швидкому та надійному перемиканні антени між входом приймача та
виходом передавача, забезпечуючи при цьому високу ізоляцію між ними, щоб
потужний сигнал передачі не пошкодив чутливі вхідні каскади прийому.
Основним компонентом тракту прийому є малошумлячий підсилювач
(МШП). При його проектуванні головна увага приділяється коефіцієнту шуму
та динамічному діапазону. МШП повинен підсилити надслабкий сигнал,
отриманий з антени, додавши мінімум власних шумів, і водночас не
перевантажитися від потужних завад сусідніх станцій. Параметри
вибірковості та чутливості тут є визначальними, оскільки вони визначають
здатність трансивера "чути" далеких кореспондентів у насиченому
перешкодами ефірі.
Тракт передачі базується на роботі підсилювача потужності (ПП),
завдання якого є довести сформований сигнал до необхідного рівня для
випромінювання в ефір. Тут критично важливими параметрами є лінійність
підсилення та рівень побічних випромінювань (гармонік). Нелінійні
спотворення в ПП призводять до розширення спектра сигналу, що спричиняє
завади сусіднім каналам, тому розрахунок режимів роботи транзисторів та
вибір фільтрів низьких частот (ФНЧ) на виході є обов'язковим етапом
проектування.
Синхронізація обох трактів забезпечується спільним джерелом частоти
- синтезатором частот. Хоча на рис.1.2 він не показаний, але він є "серцем"
пристрою, що визначає стабільність роботи. При проектуванні важливим є
крок перебудови частоти, його діапазон та фазові шуми гетеродина. Чим
нижчий рівень фазових шумів, тим вищою буде реальна вибірковість
приймача та чистішим спектр передавача, що особливо важливо для сучасних
цифрових видів зв'язку.
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 11
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
Окрім підсилювальних блоків, невід'ємною частиною є блоки
фільтрації. У приймачі вони відповідають за смугу пропускання (наприклад,
2.4 кГц для SSB), а в передавачі — за спектральну чистоту. Якість фільтрів
безпосередньо впливає на завадостійкість пристрою. При виборі компонентів
важливо враховувати коефіцієнт прямокутності характеристик фільтрів, що
дозволяє максимально ефективно відсікати непотрібні сигнали в умовах
щільного аматорського або спеціального ефіру. Загалом, при проектуванні КХ
трансивера необхідно дотримуватися балансу між чутливістю та
завадостійкістю. Використання сучасних компонентів, таких як польові
транзистори високої потужності та спеціалізовані мікросхеми обробки
сигналу, дозволяє створити пристрій, який поєднує в собі класичну надійність
та цифрову точність.
Сучасна архітектура короткохвильових трансиверів пройшла
еволюційний шлях від класичних аналогових схем до повністю цифрових
систем обробки сигналів. Наприклад, структурна схема радіопередавального
тракту наведена на рис.1.3. [4].
Рис.1.2 - Структурна схема радіопередавального пристрою
На зображено: ЗГ- задаючий генератор, це каскад, який виробляє несучу
частоту високої стабільності; БК - буферний каскад , який характеризується
високим вхідним опором та запобігає впливу наступних каскадів на зміну
частоти ЗГ; ПЧ - помножувач частоти; ПН – підсилювач напруги радіочастоти;
ППП - попередній підсилювач потужності кінцевого каскаду радіопередавача;
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 12
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
КПП - кінцевий підсилювач потужності, на вихід якого як правило ввімкнена
антена. Модуляційний пристрій (МП) - на вхід такого пристрою подається
сигнал з мікрофону чи і ншого джереле повідомлення. З виходу модуляційного
пристрою сигнал НЧ подається на підсилювач напруги (ПН), де проходить
модуляція радіосигналу.
Основним принципом побудови сучасних пристроїв є прагнення до
максимальної лінеаризації тракту та перенесення обробки сигналу з
аналогових компонентів у сферу програмного забезпечення. Це дозволяє
досягти стабільності характеристик, які раніше були недоступні через старіння
радіодеталей або температурний дрейф параметрів.
Класична супергетеродинна архітектура з декількома перетвореннями
частоти все ще залишається актуальною для професійної апаратури високого
класу. Її принцип базується на змішуванні вхідного сигналу з частотою
гетеродина для отримання проміжної частоти (ПЧ), на якій здійснюється
основна фільтрація за допомогою вузькосмугових кварцових фільтрів.
Головною перевагою такої схеми є висока селективність та здатність
працювати в умовах надпотужних завад, проте вона є громіздкою та складною
в налаштуванні (рис.1.3) [1, 2]
Рис.1.3 - Структурна схема супергетеродинного приймача з одинарним
перетворенням частоти
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 13
Змін.
Лист № докум. Підпис Дата
Наведена структурнасхема складається з наступних блоків.
Вхідне коло та підсилювач радіочастоти (ПРЧ) складають преселектор
приймача. Вхідне коло — це резонансний контур, який забезпечує попередню
вибірковість, виділяючи сигнал потрібної радіостанції серед тисяч інших
ефірних сигналів. ПРЧ підсилює цей слабкий високочастотний сигнал до
рівня, необхідного для стабільної роботи наступного каскаду, одночасно
зменшуючи вплив шумів та підвищуючи загальну чутливість пристрою.
Гетеродин та змішувач є серцем супергетеродинної схеми, де
відбувається перетворення частоти. Гетеродин — це малопотужний генератор,
частота якого змінюється синхронно з налаштуванням вхідного кола. У
змішувачі сигнали від ПРЧ та гетеродина взаємодіють між собою, утворюючи
нові частотні складові, серед яких виділяється різницева — так звана
проміжна частота (ПЧ). Такий підхід дозволяє перенести спектр сигналу з
високої частоти на нижчу, фіксовану величину (рис.1.4).
Рис.1.4 - Перенесення спектру сигналу високої частоти на проміжну частоту
Підсилювач проміжної частоти (ППЧ) виконує основну роботу з
підсилення сигналу та забезпечення вибірковості по сусідньому каналу.
Оскільки ПЧ є незмінною (наприклад, 465 кГц або 10,7 МГц), фільтри в ППЧ
налаштовані на дуже вузьку смугу пропускання з високою добротністю. Це
дозволяє ефективно відсікати завади від сусідніх радіостанцій, які могли б
пройти через преселектор, забезпечуючи високу чистоту прийому.
Детектор (демодулятор) призначений для вилучення корисної
інформації (звукового сигналу або цифрових даних) з модульованого сигналу
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 14
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
проміжної частоти. Залежно від типу модуляції (амплітудної — AM або
частотної — FM), детектор перетворює високочастотні коливання на
низькочастотний електричний сигнал, що відповідає переданому
повідомленню. Після детектування сигнал вже не містить радіочастотної
складової, але все ще є занадто слабким для відтворення.
Автоматичне регулювання підсилення (АРП) — це допоміжна система,
яка забезпечує стабільність рівня вихідного сигналу при зміні умов прийому.
Якщо вхідний сигнал стає занадто сильним (наприклад, при наближенні до
передавача), АРП автоматично знижує коефіцієнт підсилення ПРЧ та ППЧ,
запобігаючи перевантаженню каскадів та спотворенню звуку. Це дозволяє
користувачеві не підлаштовувати гучність щоразу при перемиканні між
станціями різної потужності.
Підсилювач низької частоти (ПНЧ) є кінцевим етапом обробки. Його
завдання — підсилити виділений детектором звуковий сигнал до потужності,
достатньої для приведення в дію динаміка або навушників. ПНЧ повинен
забезпечувати мінімальні спотворення в усьому діапазоні звукових частот,
щоб забезпечити якісне відтворення мови чи музики, яке ми чуємо з вихідного
пристрою [9, 10].
Основні частотні перетворення, які відбуваються за наведеною вище
структурою зображені на рис.1.5. На рис.1.5 демонструється процес
перетворення частоти, що є основою роботи будь-якого супергетеродинного
пристрою. На верхній частині графіка можна бачити спектр сигналів на вході
змішувача: корисний сигнал ����вч1, сигнал внутрішнього генератора -
гетеродина (����г) та дзеркальний канал (����вч2). Ключовим моментом є те, що як
корисний, так і дзеркальний сигнали знаходяться на однаковій відстані від
частоти гетеродина, яка дорівнює проміжній частоті (����пч).
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 15
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
Рис.1.5 - Спектральні перетворення сигналів в супергетеродинному
приймачі
Нижня частина рисунка ілюструє результат змішування, де обидва
вхідні сигнали переносяться в область низьких частот. Оскільки математично
процес перетворення частоти базується на знаходженні різниці (����г − ����вч1) та
(����вч2 − ����г), обидва результати дають однакове значення - ����пч. Це призводить до
накладання спектрів корисного та дзеркального сигналів, що створює
непереборні завади, які неможливо відфільтрувати на етапі проміжної частоти.
Особливу увагу варто звернути на блок «Фільтр ПЧ» та позначення
«Дзеркальний». Рис.1.5. підкреслює, що після змішувача ці сигнали стають
одним цілим. Це наочно доводить необхідність високої селективності саме
вхідних каскадів приймача (преселектора). Тільки якісна попередня
фільтрація до моменту потрапляння сигналу в змішувач дозволяє «вирізати»
дзеркальний канал (����вч2), не давши йому накластися на корисну інформацію.
Завдяки тому, що після перетворення корисний сигнал завжди
опиняється на фіксованій ПЧ, приймач може ефективно підсилювати та
детектувати його за допомогою стабільних вузькосмугових фільтрів. Таким
чином, на рис.1.4 пояснюється головний компроміс супергетеродина: перевагу
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 16
Змін.
Лист № докум. Підпис Дата
високої вибірковості по сусідньому каналу за рахунок появи вразливості до
дзеркального каналу.
Вибір значення проміжної частоти (ПЧ) у супергетеродинному приймачі
завжди є компромісом між двома критичними параметрами: вибірковістю за
дзеркальним каналом та вибірковістю за сусіднім каналом. Висока ПЧ
дозволяє значно віддалити дзеркальний канал (����дз = ����с + 2����пч) від корисного
сигналу, що полегшує його фільтрацію вхідними колами преселектора. Однак
на високих частотах важко створити вузькосмугові фільтри з крутими
схилами, необхідні для відсікання сусідніх радіостанцій, що погіршує
завадостійкість приймача.
Низька ПЧ, навпаки, ідеально підходить для формування вузької смуги
пропускання та забезпечення високої вибірковості за сусіднім каналом, але
при цьому дзеркальний канал опиняється занадто близько до частоти сигналу,
і вхідні фільтри не здатні його ефективно придушити. Щоб подолати це
протиріччя, у професійній та високоякісній апаратурі використовують
подвійне перетворення частоти. Перша висока ПЧ забезпечує ефективне
придушення дзеркального каналу, а друга низька ПЧ дозволяє досягти
максимальної селективності та підсилення сигналу перед детектуванням
(рис.1.6) [1 - 5].
Рис.1.6 - Структурна схема супергетеродинного приймача з подвійним
перетворенням частоти
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 17
Змін.
Лист № докум. Підпис Дата
Принцип роботи приймача з подвійним перетворенням частоти
(рис.1.5), базується на послідовному зниженні частоти вхідного сигналу для
досягнення максимальної якості прийому. Це особливо актуально для КХ-
діапазону, де важливо поєднувати захист від дзеркальних завад із високою
чільністю сусідніх станцій.
Перше перетворення - боротьба із дзеркальним каналом. Сигнал з
антени проходить через Вхідне коло та Підсилювач радіочастоти (ПРЧ), де
відбувається первинна фільтрація. Далі у Змішувачі 1 він змішується з
частотою Гетеродина 1. Результатом є перша проміжна частота (����пч1), яку
підсилює ППЧ1.
Друге перетворення - основна селективність. Сигнал ����пч1 надходить на
Змішувач 2, де взаємодіє з частотою Гетеродина 2. Тут формується друга
проміжна частота (����пч2), яка є значно нижчою за першу. Підсилювач 2-ї ПЧ
(ППЧ2) здійснює основне підсилення. На низькій частоті набагато простіше
реалізувати вузькосмугові фільтри, які відсікають «сусідів» по ефіру. Саме тут
формується основна вибірковість приймача.
Детектування та регулювання (АРП). Після другого підсилення сигнал
потрапляє в Детектор, який виділяє корисну інформацію (звук) з радіохвилі.
Блок АРП (Автоматичне регулювання підсилення) - відіграє критичну
роль, аналізуючи рівень сигналу на виході детектора. Якщо сигнал занадто
сильний, АРП подає напругу керування назад на вхідні каскади (ВК, ПРЧ,
ППЧ1, ППЧ2), знижуючи їхнє підсилення. Це запобігає перевантаженню
схеми та підтримує стабільну гучність при зміні умов прийому.
Кінцевий звуковий сигнал підсилюється Підсилювачем низької частоти
(ПНЧ) до потужності, необхідної для роботи в навантаженні (динамік). Таким
чином, подвійне перетворення дозволяє пристрою бути одночасно чутливим
до слабких сигналів і стійким до складних завад у КХ-діапазоні.
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 18
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
Архітектура прямого перетворення (DCR), яка довгий час вважалася
спрощеною, отримала друге дихання завдяки розвитку цифрових методів. У
таких трансиверах сигнал переноситься безпосередньо з робочої частоти на
низьку (звукову) частоту за допомогою квадратурних змішувачів. Це дозволяє
отримати I та Q складові сигналу, які далі обробляються цифровим
сигнальним процесором (DSP). Це значно спрощує конструкцію, оскільки
зникає потреба у дорогих та дефіцитних фільтрах проміжної частоти (рис.1.7)
Рис.1.7 – Структурна схема трансивера прямого перетворення з цифровою
обробкою
Найбільш прогресивною на сьогодні є архітектура прямої цифрової
вибірки (Direct Sampling SDR). Її головний принцип полягає в тому, що
аналого-цифровий перетворювач (АЦП) встановлюється якомога ближче до
антени, часто одразу після вхідних смугових фільтрів та підсилювача. Весь
високочастотний спектр оцифровується в реальному часі, а виділення
потрібної станції, демодуляція та фільтрація відбуваються програмно
всередині потужної мікросхеми — Пліс (FPGA). Це забезпечує неймовірну
гнучкість: пристрій може одночасно приймати десятки каналів у різних модах.
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 19
Змін. Лист № докум. Підпис
Дата
Вхідна аналогова частина розпочинається з антени, сигнал з якої
надходить на вхідний смуговий фільтр (ВСФ) (рис.1.7). Його основним
завданням є попереднє відсікання завад, що знаходяться далеко за межами
робочого діапазону, аби запобігти перевантаженню наступних каскадів. Після
фільтрації підсилювач радіочастоти (ПРЧ) піднімає рівень слабкого ефірного
сигналу до значень, необхідних для коректної роботи змішувачів,
забезпечуючи при цьому низький рівень власних шумів усієї системи.
Квадратурний демодулятор є ключовим вузлом архітектури DCR, де
радіочастотний сигнал розділяється на два канали: синфазний (I) та
квадратурний (Q). Квадратурний гетеродин генерує сигнал на частоті
прийому, який подається на змішувачі безпосередньо (0°) та через фазосувач
(90°). Завдяки такому підходу сигнал переноситься з радіочастоти одразу у
звуковий спектр (baseband), зберігаючи повну інформацію про амплітуду та
фазу, що дозволяє надалі програмно подавити дзеркальні завади.
Фільтрація та оцифрування відбуваються в каналах I та Q перед
подачею сигналу в цифровий домен. Фільтри нижніх частот (ФНЧ) виконують
роль фільтрів, обмежуючи смугу пропускання, щоб уникнути накладання
спектрів при аналого-цифровому перетворенні. Після підсилення сигнали
обробляються двоканальним АЦП, який перетворює аналогові коливання у
потік цифрових даних, з якими вже може працювати обчислювальний блок.
Цифровий сигнальний процесор (DSP) виконує роль інтелектуального
центру трансивера, замінюючи собою десятки аналогових компонентів.
Усередині DSP реалізуються алгоритми цифрової фільтрації з надзвичайно
крутими схилами, проводиться математичне придушення дзеркального каналу
та демодуляція будь-яких видів сигналів (AM, FM, SSB, CW). Крім того, DSP
забезпечує виведення спектрограми (панорами) на екран, що дозволяє
користувачеві візуально контролювати активність в ефірі.
Тракт передавання працює за зворотним принципом: цифрові дані з DSP
через цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП I/Q) подаються на змішувачі
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 20
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
передавача. Тут низькочастотний сформований сигнал переноситься вгору на
робочу радіочастоту. Після цього сигнал проходить через попередній
підсилювач та кінцевий підсилювач потужності (ПП), де він набуває
необхідної енергії для випромінювання антеною в простір.
Система керування та інтерфейс забезпечують взаємодію людини з
технікою. Мікроконтролер координує роботу DSP, змінює частоту гетеродина
та обробляє команди з панелі керування. Це дозволяє гнучко змінювати
налаштування трансивера, оновлювати програмне забезпечення для підтримки
нових видів зв'язку та забезпечувати зручну індикацію режимів роботи на
дисплеї пристрою.
Новий підхід до побудови трансиверів на основі технологій програмно-
визначеного радіо (SDR) кардинально змінює класичне уявлення про
архітектуру радіозв'язку. На відміну від традиційних трансиверів, де більшість
операцій з обробки сигналу виконується аналоговими компонентами, SDR
переносить ці завдання у цифровий домен. Це дозволяє реалізувати гнучку
систему, де фізичні параметри пристрою визначаються не схемотехнікою, а
програмним кодом, що відкриває шлях до створення універсальних платформ
для роботи в будь-яких діапазонах частот (рис.1.8) [3, 5].
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 21
Змін. Лист
№ докум. Підпис Дата
Рис.1.8 - Структурна схема SDR-трансивера прямого оцифрування сигналів
Фундаментом SDR-архітектури є використання високошвидкісних
аналого-цифрових та цифрово-аналогових перетворювачів (АЦП/ЦАП),
розташованих максимально близько до антени. У сучасних системах прямої
оцифровки (Direct Sampling) вхідний радіосигнал перетворюється на потік
цифрових даних без попереднього змішування або проміжних частот. Це
повністю усуває такі класичні проблеми, як побічні канали прийому,
нестабільність частоти гетеродина та шуми, що вносяться каскадами
аналогового підсилення.
Ключовою перевагою SDR є можливість реалізації квадратурної
обробки (I/Q) на цифровому рівні, що забезпечує ідеальну точність фазових та
амплітудних характеристик. Використання потужних обчислювальних
засобів, таких як FPGA (Пліс) або спеціалізовані DSP-процесори, дозволяє
математично придушувати дзеркальні канали та шуми з ефективністю,
недосяжною для аналогових фільтрів. Завдяки цьому трансивери отримують
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 22
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
надзвичайно високу динаміку та вибірковість, що критично важливо для
роботи в зашумленому КХ-ефірі.
Програмна складова SDR дозволяє створювати «віртуальні» вузли
приймача, які можна миттєво змінювати або оновлювати. Наприклад, для
переходу з режиму SSB на цифровий вид модуляції FT8 достатньо змінити
алгоритм обробки в програмі, не втручаючись у «залізо». Це робить пристрої
майбутнього-захищеними, оскільки підтримка нових стандартів зв'язку
додається шляхом простого оновлення прошивки, що значно подовжує
життєвий цикл обладнання.
Іншим революційним аспектом є можливість панорамного візуального
аналізу всього діапазону частот у реальному часі. Оскільки SDR обробляє
широку смугу пропускання, користувач може бачити на екрані спектрограму
(водоспад) цілого аматорського діапазону одночасно. Це докорінно змінює
досвід оператора, дозволяючи миттєво знаходити вільні частоти або слабкі
сигнали, які було б неможливо виявити за допомогою звичайної ручки
налаштування частоти.
Нарешті, розвиток SDR-технологій веде до значного спрощення та
здешевлення конструкції трансиверів при одночасному покращенні їхніх
характеристик. Відмова від дорогих кварцових фільтрів, складних систем
комутації та багатокаскадних схем підсилення на користь інтегральних
мікросхем та програмного забезпечення робить високоякісний радіозв'язок
доступнішим. Це особливо актуально для вашого проєкту приймально-
передавального пристрою КХ діапазону, оскільки SDR-підхід дозволяє
досягти професійних параметрів прийому за допомогою сучасної та
компактної бази.
Загальною тенденцією в архітектурі є перехід до модульності та
інтеграції з комп’ютерними мережами. Сучасний трансивер — це вже не
просто радіостанція, а складний обчислювальний вузол, який має власний IP-
адрес, операційну систему та панорамний аналізатор спектра високої
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 23
Змін.
Лист № докум. Підпис Дата
роздільної здатності. Така побудова дозволяє оператору керувати пристроєм
віддалено через інтернет, що є критично важливим для систем спеціального
зв'язку та сучасного радіоаматорства, забезпечуючи високу ергономічність та
візуалізацію ефіру.
• 1.3 Обґрунтування тактико-технічних вимог до пристрою
При проектуванні КХ-трансивера першочергову увагу слід приділити
чутливості, яка визначає здатність пристрою приймати слабкі сигнали на фоні
шумів. Для КХ-діапазону надлишкова чутливість часто є шкідливою через
високий рівень атмосферних та індустріальних завад, тому цей параметр має
бути збалансованим (зазвичай на рівні 0.15–0.5 мкВ). Важливо забезпечити
низький коефіцієнт шуму перших каскадів, щоб власні шуми приймача не
маскували корисний сигнал, особливо при роботі з вузькосмуговими видами
модуляції, такими як CW.
Динамічний діапазон (DR) є критичним параметром, що описує стійкість
приймача до дії потужних сусідніх сигналів. У сучасному ефірі, насиченому
завадами, важливо проектувати тракт так, щоб він не перевантажувався і не
створював інтермодуляційних спотворень. Високий показник динамічного
діапазону гарантує, що слабка станція залишиться розбірливою навіть тоді,
коли поруч по частоті працює потужний передавач.
Вихідна потужність передавача має відповідати тактичним завданням та
вимогам енергоефективності. Оптимальним є вибір потужності в діапазоні 10–
100 Вт, що забезпечує стабільний зв'язок на значні відстані без використання
масивних систем охолодження. При проектуванні вихідного каскаду
необхідно приділити особливу увагу лінійності підсилення, оскільки будь-які
спотворення призведуть до розширення спектра сигналу та появи завад для
інших користувачів ефіру.
Підтримка різноманітних видів модуляції визначає функціональну
гнучкість пристрою. SSB (односмугова модуляція) є стандартом для
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 24
Змін.
Лист № докум. Підпис Дата
голосового зв'язку завдяки своїй ефективності, тоді як CW (телеграф)
залишається незамінним для наддалеких зв'язків у складних умовах (рис.1.9).
Рис.1.9 - Часове та спектральне представлення SSB та CW модуляції
Окрему увагу варто приділити цифровій моді FT8, яка потребує високої
стабільності частоти та мінімальних фазових шумів гетеродина, оскільки цей
вид модуляції працює на рівні шумів і є дуже чутливим до часових та
частотних відхилень (рис.1.9).
Рис.1.9 - Часове та спектральне представлення FT8 модуляції
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 25
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
FT8 (Franke-Taylor design, 8-FSK modulation) — це сучасний цифровий
протокол зв'язку, який здійснив справжню революцію в радіоаматортві. Він
був розроблений Джо Тейлором (K1JT) та Стівом Франке (K9AN) спеціально
для роботи в умовах надслабких сигналів, коли рівень завад значно перевищує
рівень корисного сигналу.
FT8 використовує 8-рівневу частотну маніпуляцію (8-FSK). Це означає,
що інформація передається шляхом швидкого перемикання між вісьмома
різними частотами. Кожне таке перемикання (символ) передає 3 біти даних.
Смуга пропускання сигналу дуже вузька — лише 50 Гц, що дозволяє
розмістити десятки станцій одночасно на одній стандартній смузі SSB-
трансивера (3 кГц).
Робота в FT8 вимагає надточної синхронізації часу між комп'ютерами
обох кореспондентів (зазвичай через GPS або NTP-сервери). Весь цикл
передачі триває рівно 15 секунд:
• станція передає сигнал протягом ~12.6 секунд;
• решту часу займає декодування та підготовка до наступного циклу.
Завдяки суворій черговості "прийом-передача" стає можливим
автоматизований обмін базовою інформацією.
Головна перевага FT8 полягає в алгоритмах корекції помилок (Forward
Error Correction — FEC). Протокол здатний декодувати сигнал при відношенні
сигнал/шум до -21 дБ (у смузі 2.5 кГц). Це означає, що людське вухо чує лише
суцільний шум, але математичні алгоритми DSP впевнено витягують з нього
інформацію.
Через вузьку смугу та короткий час передачі обсяг даних дуже
обмежений. Повідомлення містить лише 77 біт корисної інформації,
FT8 фактично перетворила радіозв'язок на обмін короткими цифровими
пакетами, де роль оператора зводиться до моніторингу та вибору стратегії, а
всю складну роботу з виділення сигналу виконує математика.
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 26
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
Сучасні SDR-трансивери завдяки своїй гнучкості не обмежуються
класичними режимами та активно впроваджують нові методи передачі даних.
Окрім широко відомої FT8, великої популярності набули протоколи сімейства
JS8Call, які базуються на тій самій технології 8-FSK, але дозволяють вести
повноцінний текстовий чат. На відміну від жорстко обмежених повідомлень
FT8, JS8Call підтримує вільний текст, що робить цей режим ідеальним для
обміну інформацією в умовах надслабких сигналів, коли голосовий зв'язок
стає неможливим.
Цифрова обробка мови (Digital Voice), представлена такими
стандартами як FreeDV, кардинально змінює підхід до передачі голосу на КХ.
Використання спеціалізованих вокодерів дозволяє стиснути голосовий сигнал
до дуже вузької смуги пропускання (до 1.1 кГц) та передавати його в
цифровому вигляді. Це забезпечує чистий звук без характерних для
аналогового SSB ефірних шумів та тріску, а також дозволяє впевнено
приймати мову там, де звичайний сигнал уже не розрізняється на слух.
Для любителів передачі зображень сучасні пристрої пропонують
цифрову версію SSTV (Slow Scan Television). На відміну від старого
аналогового стандарту, цифрові методи передачі зображень через протоколи
на кшталт EasyPal забезпечують безпомилкову доставку картинок завдяки
алгоритмам корекції Reed-Solomon. Це дозволяє отримувати чіткі фотографії
високої роздільної здатності навіть при наявності серйозних завмирань
(федінгу) в радіоканалі.
• 1.4. Постановка завдання на проектування
Метою даної роботи є проектування та розробка приймально-
передавального пристрою (трансивера), що призначений для роботи в
нижньому КХ-діапазоні (3.5 – 3.8 МГц). Основним викликом є створення
пристрою, який за мінімальної складності схеми забезпечить стабільний
зв’язок у сегменті ефіру, що характеризується високим рівнем атмосферних
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 27
Змін.
Лист № докум. Підпис Дата
завад та щільним розташуванням станцій. Необхідно розробити систему, яка
здатна впевнено виділяти корисні сигнали амплітудою від 1 мкВ.
Важливим критерієм проектування є забезпечення високої
завадостійкості та селективності. Задача передбачає пошук таких методів
фільтрації та перетворення частоти, що дозволять досягти придушення
сусіднього каналу на рівні 45 дБ та дзеркального каналу на 35 дБ. Це вимагає
обґрунтування вибору архітектури (наприклад, прямого перетворення або
супергетеродина), яка б задовольнила ці вимоги при збереженні
технологічності конструкції.
У частині передавального тракту необхідно реалізувати вузол, здатний
формувати сигнал з піковою потужністю 5 Вт. Окремою технічною умовою є
робота на антенно-фідерні системи з опором 75 Ом, що диктує необхідність
розрахунку відповідних кіл узгодження. Пристрій має забезпечувати чистоту
спектра вихідного сигналу, аби не створювати позасмугових завад у суміжних
ділянках аматорського діапазону.
Одним із найбільш специфічних аспектів задачі є проектування системи
електроживлення. Пристрій повинен працювати від мережі з напругою 210 –
240 В. та вимагає особливого підходу до безпеки та стабілізації напруг
усередині трансивера. Окремої уваги потребує високий струм споживання (до
1.8 А), що потребує розробки потужних каскадів живлення з високим
коефіцієнтом стабілізації.
З огляду на те, що струм споживання в режимі очікування (мовчання)
складає 1.5 А, постановка задачі включає аналіз теплових режимів роботи.
Необхідно спроектувати таку конструкцію корпусу та розташування вузлів,
які б забезпечували ефективне відведення тепла від активних елементів при
безперервній експлуатації. Це критично важливо для збереження стабільності
частоти та довговічності компонентної бази.
Результатом виконання завдання має стати обґрунтована структурна та
принципова схема пристрою, що гармонійно поєднує в собі високу чутливість,
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 28
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
вибірковість та достатню вихідну потужність. Весь цикл проектування
повинен бути спрямований на створення надійного радіоаматорського
інструменту, який за своїми параметрами відповідає сучасним вимогам до
засобів зв’язку в КХ-діапазоні.
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 29
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
РОЗДІЛ 2
ВИБІР ТА ОБҐРУНТУВАННЯ СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ
ТРАНСИВЕРА
2.1 Розробка та обгрунтування структурної схеми трансивера
Розробка структурної схеми є фундаментальним етапом проектування,
на якому визначається загальна архітектура пристрою та логіка його
функціонування. Вона виконує роль «каркаса», що візуалізує поділ складного
трансивера на окремі функціональні блоки — від вхідних кіл до кінцевих
підсилювачів. Це дозволяє наочно представити шлях проходження сигналу в
режимах прийому та передавання, що є критично важливим для розуміння
взаємодії між аналоговими та цифровими вузлами ще до початку розрахунку
конкретних номіналів деталей [1-8].
Основним призначенням схеми є встановлення чітких зв'язків та ієрархії
між модулями, такими як гетеродини, змішувачі та блоки обробки сигналу.
Завдяки структуризації стає можливим визначити вимоги до кожного
окремого каскаду: необхідне підсилення, смугу пропускання та рівень
узгодження опорів. Це допомагає розробнику уникнути системних помилок на
ранніх стадіях, забезпечуючи правильний розподіл енергетичного потенціалу
по всьому тракту пристрою.
Проектування структурної схеми є визначальним етапом розробки
трансивера, оскільки саме на цьому рівні закладається архітектурна логіка
взаємодії всіх функціональних вузлів пристрою. Представлена схема базується
на принципі супергетеродинного перетворення з використанням
електромеханічної фільтрації, що дозволяє досягти оптимального балансу між
складністю конструкції та якістю селекції сигналу. Такий підхід забезпечує
чіткий поділ на тракти прийому та передавання, дозволяючи мінімізувати
кількість спільних елементів і спростити процес налаштування кожного
окремого каскаду.
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 30
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
В основі запропонованої структури лежить ідея максимальної
функціональної інтеграції, реалізована через використання спеціалізованих
мікросхем та високоефективних фільтрів ПЧ. Це дозволяє не лише виконати
жорсткі тактико-технічні вимоги щодо чутливості та вибірковості, а й
забезпечити високу стабільність роботи в КХ-діапазоні. Формування
структурної схеми в такому вигляді стає фундаментом для подальшого
розрахунку принципових електричних кіл, гарантуючи цілісність системи та її
відповідність сучасним радіоаматорським стандартам.
Запропонована структурна схема представляє собою трансивер із одним
перетворенням частоти, що працює на проміжній частоті (ПЧ) 500 кГц
(рис.2.1). Принцип роботи пристрою базується на використанні
електромеханічного фільтра (ЕМФ) як основного елемента селекції, що є
стандартом для аналогової аматорської техніки цього класу. Така архітектура
забезпечує високу прямокутність характеристик фільтрації, що критично
важливо для роботи в діапазоні 80 метрів (3.5 – 3.8 МГц).
У режимі прийому трансивер працює як супергетеродинний пристрій.
Сигнал з антени проходить через вхідне коло (ВК), яке відсікає позасмугові
завади, та підсилювач радіочастоти (ПРЧ). Ключове перетворення
відбувається в першому змішувачі на мікросхемі К174ПС1, де сигнал
радіочастоти поєднується з сигналом генератора плавного діапазону (ГПД). У
результаті отримуємо стабільну проміжну частоту 500 кГц, яка далі
фільтрується від завад за допомогою вузькосмугового ЕМФ.
Друге перетворення в тракті прийому відбувається в детектувальному
змішувачі (ЗМ), де сигнал ПЧ змішується з сигналом опорного кварцового
генератора (Г). Оскільки частота опорного генератора збігається з частотою
ПЧ, на виході ми отримуємо безпосередньо низькочастотний звуковий сигнал
(рис.2.2).
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 31
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
Рис. 2.1- Структурна схема трансиверного пристрою
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 32
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
Рис.2.2 – Ілюстрація частотного перетворення в другому змішувачі як
синхронного детектування для відновлення інформації
Процес, зображений на рис2.2 є ключовим етапом відновлення інформації
в будь-якому SSB-трансивері. Перше перетворення зазвичай змішує
прийнятий радіочастотний сигнал з гетеродином для отримання фіксованої
проміжної частоти (ПЧ). На графіку рис.2.2 вхідний сигнал — це SSB-сигнал
на ПЧ 500 кГц. Такий сигнал складний, оскільки він містить лише одну бічну
смугу (наприклад, USB), і його амплітуда безпосередньо не відображає звук.
Для відновлення звуку його необхідно змішати з ідеально стабільною несучою
частотою.
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 33
Змін.
Лист № докум. Підпис Дата
У наведеній схемі роль цієї несучої виконує опорний кварцовий генератор
(Г), налаштований точно на ПЧ — 500.000 кГц. У змішувачі (ЗМ), який також
називають добутковим детектором, відбувається математичне множення
миттєвих значень SSB-сигналу ПЧ та чистого синусоїдального сигналу
опорного генератора. Результат множення містить дві основні компоненти:
різницеву частоту (що наближається до нуля Гц) та сумарну частоту (що
наближається до 1000 кГц, або подвійної ПЧ). Цей ефект добре видно на
спектральних панелях у середній частині графіка.
Різницева частота і є відновленим низькочастотним звуковим сигналом.
Вона з'являється завдяки тому, що кожен частотний компонент у SSB-сигналі
«зсувається» вниз на фіксовану величину ПЧ (500 кГц). Наприклад, частота
501 кГц (що представляла звук 1 кГц) перетворюється на 501 - 500 = 1 кГц.
Для відфільтровування небажаної подвійної частоти та шумів, сигнал на
виході змішувача проходить через фільтр низьких частот (ФНЧ) та підсилювач
(ПНЧ), що врешті-решт подається на динамік (ВП). Весь цей процес чудово
демонструє, як синхронне детектування дозволяє ефективно відновлювати
складні види модуляції.
Після проходження через підсилювач низької частоти (ПНЧ) та
фільтрацію, сигнал подається на відтворюючий пристрій (ВП), забезпечуючи
чітке звучання мовних SSB або телеграфних CW станцій. Спектральне
представлення SSB сигналів та їх порівняльний вид з АМ сигналом
представлено на рис.2.3.
Основна перевага застосування SSB (Single Sideband) у КХ-діапазоні
полягає у винятковій енергетичній ефективності та економії частотного
ресурсу. На відміну від традиційної амплітудної модуляції (AM), де понад 50%
потужності витрачається на передавання несучої частоти, яка не несе корисної
інформації, в SSB вся потужність передавача зосереджується лише в одній
бічній смузі. Це дозволяє досягти значно вищого співвідношення сигнал/шум
на стороні прийому при тій самій споживаній потужності.
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 34
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
Спектр АМ сигналу Спектр SSB сигналу
Рис.2.3 - Спектральне представлення SSB та АМ сигналів
Окрім того, смуга частот, яку займає SSB-сигнал, удвічі вужча за AM
(близько 2.4–3 кГц проти 6–9 кГц), що дозволяє розмістити у завантаженому
КХ-ефірі вдвічі більше робочих каналів і суттєво знизити рівень завад від
сусідніх станцій.
Особливістю експлуатації SSB-трансиверів є необхідність високої
стабільності частоти гетеродинів та складність процесу відновлення сигналу.
Оскільки в ефір не передається несуча частота, приймач має самостійно додати
її за допомогою опорного генератора для коректного детектування звуку.
Найменше відхилення частоти (навіть на 50–100 Гц) призводить до
спотворення тембру голосу, що робить SSB критичним до точності
налаштування. Проте саме ці властивості роблять SSB незамінним для
далекого зв'язку (DX) та роботи в умовах сильних завмирань сигналу
(федінгу), оскільки відсутність несучої мінімізує нелінійні спотворення,
характерні для AM при багатопроменевому поширенні радіохвиль.
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 35
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
У режимі передавання реалізується зворотний процес формування
односмугової модуляції (SSB). Низькочастотний сигнал з мікрофона
підсилюється та змішується з частотою опорного генератора 500 кГц.
Отриманий двосмуговий сигнал проходить через той самий ЕМФ, який
відфільтровує несучу та одну з бічних смуг, залишаючи чистий SSB-сигнал.
Це перетворення є ключовим для ефективного використання потужності
передавача, оскільки вся енергія концентрується лише в одній корисній смузі
частот.
Процес формування односмугового сигналу (SSB) у режимі передавання
починається з перетворення акустичних коливань в електричний сигнал
низької частоти за допомогою мікрофона. Отриманий НЧ-сигнал проходить
через попередній підсилювач, де його рівень доводиться до значень,
необхідних для коректної роботи модулятора. На цьому етапі важливо
обмежити спектр голосу стандартною смугою 300–3000 Гц, оскільки
передавання ширшого спектра призвело б до нераціонального використання
частотного ресурсу без покращення розбірливості мови.
Ключова операція відбувається у балансному змішувачі, де підсилений
сигнал звукової частоти перемножується з високочастотним сигналом від
опорного кварцового генератора (500 кГц). Особливістю балансного
змішувача є те, що на його виході сама несуча частота (500 кГц) пригнічується,
і залишаються лише дві бічні смуги: верхня (сума частот) та нижня (різниця
частот). Такий сигнал називається двосмуговим із пригніченою несучою
(DSB). Хоча енергія несучої вже зекономлена, сигнал все ще займає подвійну
смугу пропускання.
Наступним критично важливим етапом є проходження DSB-сигналу
через електромеханічний фільтр (ЕМФ). Завдяки дуже вузькій смузі
пропускання та крутим схилам амплітудно-частотної характеристики, ЕМФ
відфільтровує одну з бічних смуг (наприклад, нижню) і додатково пригнічує
залишки несучої частоти. На виході фільтра залишається чистий SSB-сигнал,
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 36
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
який містить лише корисну інформаційну частину спектра. Це дозволяє
зосередити всю вихідну потужність передавача в одній вузькій смузі, що
забезпечує високу ефективність зв'язку на великих відстанях.
Отриманий радіочастотний сигнал проходить через систему фільтрів та
підсилювач потужності, після чого випромінюється антеною. Такий метод
формування гарантує, що трансивер не буде засмічувати сусідні частоти та
використовує енергію живлення з максимальною користю для встановлення
радіозв'язку.
Головною перевагою даного варіанту реалізації трансивера є вдале
поєднання простоти та функціональності завдяки використанню
спеціалізованої мікросхеми К174ПС1. Це дозволило відмовитися від складних
багатокаскадних підсилювачів ПЧ та мікрофонних підсилювачів, значно
зменшивши кількість намотувальних компонентів. Використання ЕМФ у
поєднанні з надійним джерелом живлення на базі стабілізаторів серії КР142
робить цей трансивер повторюваним, стабільним у роботі та ідеальним для
реалізації в рамках дипломного проекту як збалансованого аналогового
пристрою.
2.2 Обґрунтування структурних елементів пристрою
В якості основного джерела енергії для трансивера обрано класичну
схему трансформаторного джерела живлення, що характеризується високою
надійністю та низьким рівнем власних електромагнітних завад, що є критично
важливим для чутливої приймальної апаратури. Силовий трансформатор
виконує роль гальванічної розв'язки від мережі та зниження напруги. Його
первинна обмотка адаптована до стандартної мережі 220 В, а вторинна має
спеціальну конфігурацію з відводом від середньої точки, що дозволяє
отримати дві напруги по 13 В або загальну напругу близько 26–28 В залежно
від навантаження.
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 37
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
Процес випрямлення реалізовано за допомогою двопівперіодного
діодного моста, підключеного до крайніх висновків вторинної обмотки. Після
випрямлення та згладжування фільтруючими ємностями великого номіналу,
вихідна напруга становить близько 34 В. Ця напруга призначена для живлення
кінцевого підсилювача потужності передавача, оскільки такий рівень напруги
дозволяє забезпечити необхідний динамічний діапазон та вихідну потужність
у КХ-діапазоні без використання додаткових перетворювачів.
Для живлення стабільночутливих вузлів, таких як ГПД, опорний
генератор та тракти ПЧ, використовується окрема лінія стабілізації. Струм з
середнього виводу трансформатора через фільтруючий конденсатор ємністю
надходить на інтегральний стабілізатор КР142ЕН8Б (або аналог серії 7812). Це
забезпечує стабільні 12 В, захищені від коливань мережевої напруги та
пульсацій. Обрана схема блока живлення поєднує в собі простоту конструкції,
ремонтопридатність та високу стабільність вихідних параметрів, що гарантує
безперебійну роботу всього трансивера.
Генератор плавної частоти (ГПЧ) є одним із найкритичніших вузлів
трансивера, оскільки він визначає стабільність частоти випромінюваного
сигналу та точність налаштування на кореспондента. Якщо нестабільність
гетеродина прийому викликає лише дискомфорт для оператора, то в режимі
передавання відхилення частоти може призвести до виходу за межі
дозволеного діапазону або неможливості декодування сигналу іншою
стороною. Для роботи з односмуговою модуляцією (SSB) вимоги до
стабільності є особливо жорсткими: сумарний дрейф частоти не повинен
перевищувати 15–30 Гц протягом 5–10 хвилин роботи. Саме тому в даній
конструкції велика увага приділена схемотехнічній реалізації та
температурній компенсації генератора.
Схему ГПЧ реалізовано на базі ємнісної триточки (схема Колпітса) з
використанням двох малопотужних транзисторів типу КТ315 або їх аналогів.
Перший транзистор виконує функцію власне генератора, а другий працює як
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 38
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
емітерний повторювач (буферний підсилювач), що мінімізує вплив наступних
каскадів змішувача на частоту генерації. Таке рішення дозволяє зберегти
високу стабільність при зміні навантаження або під час перемикання режимів
прийом/передача. Робочий діапазон частот генератора для даного пристрою
обрано в межах 2,3–2,5 МГц, що при змішуванні з проміжною частотою 500
кГц дозволяє перекрити необхідну ділянку аматорського КХ-діапазону.
Особливе місце в обґрунтуванні ГПЧ займає конструктивне виконання
коливального контуру, який визначає термостабільність всієї схеми. Каркас
котушки індуктивності виготовлено з високоякісної радіокераміки, що має
мінімальний коефіцієнт теплового розширення. В якості підстроювального
осердя використано ферит, що дозволяє точно встановити межі діапазону.
Окрім того, для компенсації температурного вибігу частоти в контурі
застосовано конденсатори з різними температурними коефіцієнтами ємності
(ТКЄ), що дозволяє підтримувати задану частоту незмінною навіть при
тривалій роботі та нагріванні внутрішнього об'єму корпусу трансивера.
Підсилювач низької частоти виконує функцію кінцевого підсилення
відновленого звукового сигналу до рівня, достатнього для роботи динамічної
головки або головних телефонів. У даній конструкції ПНЧ реалізовано на базі
спеціалізованої інтегральної мікросхеми К174УН14, яка є потужним
операційним підсилювачем, оптимізованим для відтворення звуку.
Використання мікросхеми дозволяє суттєво спростити схему, мінімізувати
кількість навісних компонентів та забезпечити високу надійність роботи вузла
в умовах обмеженого простору всередині корпусу трансивера.
Згідно з технічними характеристиками, мікросхема забезпечує
номінальну вихідну потужність 4,5 Вт на навантаженні 4 Ом, що є цілком
достатнім для комфортного прослуховування ефіру навіть у шумному
приміщенні. Високий коефіцієнт підсилення (40 дБ) та низький коефіцієнт
гармонік (0,05%) гарантують чисте відтворення мовного сигналу з
мінімальними спотвореннями. Підсилювач зберігає стабільність параметрів у
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 39
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
широкому діапазоні температур від -10 до +60 °C, що важливо для апаратури,
яка може експлуатуватися у польових умовах.
Живлення підсилювача здійснюється від основної лінії 12–15 В, що
узгоджується з параметрами обраного блока живлення. Схема включення
мікросхеми передбачає використання конденсаторів великої ємності у
ланцюгах живлення та виходу для відсікання постійної складової струму та
придушення низькочастотних пульсацій. Завдяки вбудованому захисту від
короткого замикання на виході та термічному захисту, даний каскад є
максимально стійким до експлуатаційних помилок, що робить його
оптимальним вибором для аматорської радіостанції.
Опорний генератор є невід’ємним компонентом трансивера, що
забезпечує формування еталонної частоти для процесів модуляції та
детектування SSB-сигналу. Схему генератора реалізовано за класичною
топологією ємнісної триточки на базі біполярного транзистора КТ315Б. Вибір
саме цієї схеми обумовлений її високою стабільністю та простотою в
налаштуванні. Вихідна частота генератора повинна суворо відповідати
значенню проміжної частоти тракту і становить 500 кГц, що є стандартом для
роботи з електромеханічними фільтрами (ЕМФ).
Для забезпечення високої термостабільності та мінімізації вибігу
частоти в схемі застосовано кварцовий резонатор на 500 кГц. Використання
кварцу в герметичному металевому корпусі дозволяє захистити його від
зовнішніх електромагнітних впливів та вологості, що суттєво покращує якісні
характеристики формованого сигналу. Стабільність роботи опорного
генератора безпосередньо впливає на природність звучання голосу
кореспондента, оскільки будь-яке відхилення частоти від номіналу призводить
до зміщення спектра відновленого звукового сигналу.
У загальній структурі трансивера опорний генератор виконує подвійну
функцію залежно від режиму роботи. У приймальному тракті він виступає в
ролі відновлювального гетеродина, змішування з яким дозволяє перенести
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 40
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
ПЧ-сигнал у область звукових частот. У режимі передавання генератор
забезпечує опорний сигнал для балансного модулятора, де створюється основа
майбутнього SSB-випромінювання. Таким чином, точність встановлення
частоти генератора є критичним фактором для досягнення оптимального
придушення несучої та якості модуляції.
Попередній підсилювач потужності є проміжною ланкою між
змішувачем передавача та вихідним каскадом підсилювача потужності. Його
основне завдання полягає у підсиленні сформованого SSB-сигналу
радіочастоти до рівня, необхідного для розкачки потужних транзисторів
вихідного каскаду. ППП має характеризуватися високою лінійністю
підсилення, щоб не вносити спотворень у сформований односмуговий сигнал,
оскільки будь-яка нелінійність на цьому етапі призводить до розширення
спектра випромінювання та появи позасмугових завад.
Схематично попередній підсилювач зазвичай будується на
високочастотних транзисторах середньої потужності, що працюють у режимі
класу А або АВ, що забезпечує найкращий баланс між коефіцієнтом
підсилення та чистотою сигналу. На вході та виході каскаду встановлюються
узгоджувальні контури або широкосмугові трансформатори, які забезпечують
передачу максимальної потужності без значних втрат. Окрім підсилення, цей
вузол також виконує роль буфера, що ізолює змішувач від впливу змінних
параметрів вхідного опору кінцевого підсилювача, чим додатково сприяє
загальній стабільності роботи передавального тракту.
В даній конструкції вузли змішування частоти, детектування та
балансної модуляції реалізовано на базі інтегральних мікросхем К174ПС1.
Вибір цих мікросхем, що являють собою подвійні балансні змішувачі,
дозволив суттєво оптимізувати схему трансивера, зменшивши кількість
намотувальних компонентів та габарити пристрою. Завдяки високій
ідентичності параметрів внутрішніх транзисторів мікросхеми, забезпечується
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 41
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
високий рівень придушення сигналів гетеродинів на виході, що є критично
важливим для формування якісного SSB-сигналу та чистого прийому.
У режимі прийому перший змішувач виконує перетворення сигналу
радіочастоти, що надходить із діапазонного смугового фільтра (ДПФ), у
проміжну частоту 500 кГц шляхом змішування з сигналом гетеродина (ГПЧ).
Основним навантаженням цього вузла є електромеханічний фільтр (ЕМФ),
який забезпечує основну вибірковість приймального тракту. Використання
активного змішувача на К174ПС1 дозволяє отримати необхідний коефіцієнт
передачі при низькому рівні власних шумів, що позитивно позначається на
загальній чутливості трансивера.
У режимі передавання одна з мікросхем працює як балансний
модулятора, де низькочастотний сигнал з мікрофонного підсилювача
змішується з сигналом опорного генератора 500 кГц. Для досягнення
максимального придушення несучої частоти в схемі передбачено точне
балансування за допомогою підстроювального резистора, що дозволяє
отримати чистий двосмуговий сигнал (DSB) перед його подачею на ЕМФ. Це
технічне рішення гарантує, що в ефір випромінюватиметься лише корисна
бічна смуга, що відповідає вимогам до аматорської радіозв'язної апаратури.
Особливістю архітектури даного трансивера є реверсивне використання
сигналів допоміжних генераторів: у режимах прийому та передавання сигнали
опорного генератора та ГПЧ функціонально «змінюються місцями». У тракті
прийому ГПЧ відповідає за перше перетворення, а опорний генератор — за
детектування звуку. У тракті передавання — навпаки: опорний генератор бере
участь у початковому формуванні SSB на ПЧ, а ГПЧ переносить цей сигнал у
робочий КХ-діапазон. Такий підхід дозволяє максимально спростити
комутацію та забезпечити повний збіг частот прийому та передавання.
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 42
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
2.3 Алгоритм комутації режимів «Прийом-Передача» та узгодження
вузлів
Вибір алгоритму комутації та узгодження вузлів є критичним етапом
проектування, оскільки саме цей процес перетворює набір окремих
функціональних блоків у цілісний радіотехнічний пристрій — трансивер. У
трансиверах із використанням реверсивних вузлів, таких як
електромеханічний фільтр чи гетеродини, правильна організація переходу
«Прийом-Передача» (RX/TX) визначає не лише зручність роботи оператора,
але й надійність усієї апаратури. Необхідність детального огляду цього
процесу обумовлена потребою забезпечити миттєву зміну напрямку
проходження сигналу при збереженні стабільності частоти, що є складним
завданням в умовах спільного використання одних і тих самих каскадів для
різних режимів роботи.
Особлива увага до вузлів комутації та узгодження дозволяє вирішити дві
фундаментальні проблеми КХ-зв'язку: виключення просочування потужного
сигналу передавача в чутливі ланцюги прийому та забезпечення максимальної
передачі енергії між каскадами. Невірне узгодження імпедансів, наприклад,
між змішувачем на К174ПС1 та ЕМФ, може призвести до значних втрат
сигналу та погіршення вибірковості, що нівелює переваги якісної елементної
бази. Таким чином, аналіз взаємодії вузлів дозволяє обґрунтувати обрані
схемотехнічні рішення щодо застосування релейної або електронної
комутації, а також методів трансформації опорів для оптимізації загального
динамічного діапазону трансивера.
Алгоритм комутації режимів «Прийом-Передача» (RX/TX) базується на
принципі централізованого керування напругами живлення та комутації
антенного входу. Основна ідея полягає в тому, що при натисканні тангенти
мікрофона (сигнал PTT — Push-to-Talk) відбувається миттєва деактивація
підсилювачів приймального тракту шляхом зняття з них напруги живлення
+12В (RX) і одночасна подача напруги +12В (TX) на каскади передавача. Це
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 43
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
виключає можливість одночасної роботи обох трактів, що запобігає
виникненню паразитного зворотного зв'язку та самозбудженню схеми.
Реалізація цього процесу покладається на електромеханічне реле або
систему напівпровідникових ключів, що керуються вузлом комутації.
Ключовим моментом є черговість спрацьовування: спочатку комутується
антена з входу приймача на вихід підсилювача потужності, і лише після цього
подається живлення на передкінцеві каскади передавача. Така затримка, хоч і
вимірюється мілісекундами, дозволяє захистити вихідні транзистори від
роботи без навантаження та вберегти вхідні кола приймача від залишків
потужного ВЧ-сигналу.
Важливою частиною алгоритму є узгодження вузлів, які
використовуються в обох режимах. Оскільки ЕМФ має фіксовані вхідний та
вихідний опори (зазвичай одиниці кОм), для його коректної роботи як при
прийомі, так і при передачі, застосовуються резонансні контури або
погоджувальні трансформатори. Це забезпечує стабільність смуги
пропускання та мінімальне затухання сигналу незалежно від того, чи він
проходить від першого змішувача (прийом), чи від балансного модулятора
(передача).
Для візуалізації цього алгоритму пропонується структурна схема
керування, де центральним елементом є блок комутації, пов'язаний з лінією
PTT (рис.2.4). Схема наочно демонструє розподіл потоків енергії: лінія
живлення розгалужується на два ключі, які почергово активують тракти, а
антенне реле синхронізує фізичне підключення антенно-фідерного пристрою
до відповідного виходу. Такий підхід гарантує повну сумісність рівнів
сигналів та високу надійність експлуатації трансивера в реальному ефірі.
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 44
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
Рис.2.4 - Представлення високорівневого функціонального алгоритму
перемикання для роботи трансивера
Запропонований алгоритм базується на принципі послідовного
керування часовими затримками, що є критично важливим для збереження
працездатності ВЧ-каскадів. Основна логіка полягає у створенні «безпечного
вікна» між деактивацією режиму прийому та стартом випромінювання. Це
досягається шляхом першочергового зняття напруги з тракту RX, після чого
відбувається фізичне перемикання антенного реле. Такий порядок гарантує,
що чутливі вхідні кола приймача будуть надійно ізольовані від антени ще до
того, як у тракті передавача почнеться формування потужного сигналу, що
запобігає електричному пробою вхідних транзисторів.
Особлива увага в алгоритмі приділена фінальній затримці, яка
активується після подачі живлення на тракт передачі. Вона забезпечує
стабілізацію перехідних процесів у підсилювальних каскадах та завершення
механічного перекидання контактів реле. Лише після проходження цього
інтервалу дозволяється вихід сигналу в антену. Такий підхід не тільки
підвищує надійність пристрою, але й покращує якість зв'язку, оскільки усуває
«клацання» та перехідні завади в ефірі (так званий «hot switching»),
забезпечуючи чисте та професійне формування фронту SSB-сигналу.
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 45
Змін.
Лист № докум. Підпис Дата
2.4. Висновки
Запропонована структурна схема трансивера з одним перетворенням
частоти та використанням проміжної частоти 500 кГц є оптимальною для
реалізації аматорської радіостанції КХ-діапазону. Застосування реверсивних
вузлів, зокрема електромеханічного фільтра (ЕМФ) та активних змішувачів на
базі мікросхем К174ПС1, дозволило суттєво спростити конструкцію
пристрою, зменшити кількість намотувальних компонентів та забезпечити
високу якість формування односмугового сигналу. Такий підхід гарантує
ідентичність частот прийому та передавання, що є критично важливим для
стабільного радіозв'язку.
Особлива увага була приділена обґрунтуванню стабільності основних
генераторів. Використання схеми ємнісної триточки та керамічних каркасів
для котушок індуктивності дозволило досягти технічних характеристик, що
відповідають вимогам до роботи з SSB-модуляцією (дрейф частоти не більше
50 Гц за 15 хв). Окрім того, реалізована система живлення із роздільною
стабілізацією для задавальних каскадів та потужним виходом для підсилювача
потужності забезпечує надійну роботу трансивера у широкому динамічному
діапазоні без взаємних наводок та спотворень.
Завершальним етапом розділу став аналіз алгоритму комутації
«Прийом-Передача», який підтвердив важливість дотримання часових
затримок для захисту вхідних ланцюгів. Запропонована послідовність дій від
деактивації живлення приймача до безпечного ввімкнення передавального
тракту після затримки мінімізує ризик виходу з ладу напівпровідникових
елементів та усуває побічні перехідні процеси в ефірі.
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 46
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
РОЗДІЛ 3
ПРОЕКТУВАННЯ ФУНКЦІОНАЛЬНИХ БЛОКІВ ПРИСТРОЮ
3.1 Розробка схеми фільтрації вхідного кола
Проведемо електричний розрахунок основних функціональних вузлів
трансивера згідно наведеної структурної схеми на рис.2.1, що визначають його
ключові характеристики. Першочерговим завданням є розрахунок вхідних та
фільтруючих кіл, зокрема вхідних контурів (ВК) та смугового фільтра (Ф). Ці
блоки відповідають за попередню вибірковість приймального тракту та
придушення позасмугових випромінювань у режимі передачі. Точність
розрахунку параметрів котушок індуктивності та конденсаторів у цих вузлах
безпосередньо впливає на коефіцієнт передачі та чистоту вихідного сигналу в
антені.
Окремий масив обчислень стосується активних компонентів схеми,
зокрема змішувачів (ЗМ), підсилювача радіочастоти (ПРЧ) та підсилювача
низької частоти (ПНЧ). Розрахунок режимів роботи транзисторів та мікросхем
за постійним струмом дозволяє забезпечити лінійне підсилення сигналу без
внесення нелінійних спотворень. Для вузлів детектування (Д) та модуляції
важливо розрахувати оптимальні рівні напруг від гетеродина (Г) та генератора
плавної частоти (ГПД), щоб забезпечити максимальний динамічний діапазон
та ефективне придушення несучої частоти [9, 10].
Завершальним етапом розділу є розрахунок каскадів підсилення
потужності: попереднього підсилювача (ППП) та вихідного підсилювача
потужності (ПП). Розрахунок цих блоків спрямований на отримання заданої
вихідної потужності (ВП) при збереженні стабільності параметрів та високого
коефіцієнта корисної дії. Також обов’язковому обчисленню підлягає блок
живлення (БЖ), який повинен забезпечувати стабільну напругу для всіх вузлів
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 47
Змін. Лист
№ докум. Підпис Дата
трансивера при суттєвих змінах струму споживання, що виникають під час
перемикання між прийомом та передачею.
На рис.3.1. представлена схема електрична реалізації вхідного кола
пристрою.
Рис.3.1 - Схемана реалізація смугового фільтра вхідного кола
Ця схема являє собою класичний двоконтурний смуговий фільтр (Band-
Pass Filter) з індуктивним зв'язком на вході та виході, призначений для
виділення корисного сигналу та придушення завад у вхідних колах
трансивера. Пристрій складається з двох резонансних контурів (L2C1 та
L3C3), які об'єднані через малу ємність зв'язку Cc. Використання двох
контурів замість одного дозволяє отримати більш «прямокутну» амплітудно-
частотну характеристику, що критично важливо для вибірковості приймача
(селективності).
Принцип роботи базується на явищі магнітної та ємнісної індукції.
Вхідний сигнал від антени через котушку зв'язку L1 передається на перший
резонансний контур. Завдяки високій добротності котушок (Q=150-200),
контури ефективно відсікають сигнали, частота яких лежить за межами смуги
пропускання. Конденсатор Cc забезпечує слабкий зв'язок між каскадами, що
дозволяє передавати енергію від першого контуру до другого, зберігаючи при
цьому вузьку смугу фільтрації. Остаточне узгодження з наступними
каскадами трансивера здійснюється через вихідну котушку L4.
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 48
Змін.
Лист № докум. Підпис Дата
Призначення елементів чітко розмежоване: котушки L2 та L3 з
феритовими осердями разом із конденсаторами C1 та C3 визначають
резонансну частоту пристрою. Конденсатори C2 та C4 (номіналом 1нФ)
виконують роль блокувальних або фільтруючих елементів для розв'язки по
постійному струму чи захисту від високої напруги. Котушки зв'язку L1 (3
витки) та L4 (4 витки) оптимізовані для роботи з низькоомним навантаженням,
наприклад, антеною з опором 75 Ом.
Для орієнтовного розрахунку діапазону використаємо формулу Томсона:
���� = 1 .
2����√��������
При індуктивності L = 14мкГн та ємності зв'язку Cc = 10пФ, якщо основні
конденсатори контуру (C1, C3) мають діапазон підлаштування приблизно 10-
150пФ, то схема зможе працювати в межах приблизно 3.5-12МГц. Це охоплює
популярні радіоаматорські діапазони 80м, 40м та 30м. Точне налаштування на
конкретну частоту здійснюється зміною положення феритових осердь у
котушках L2 та L3.
3.2 Розробка генератора плавного діапазону
Генератор плавного діапазону (ГПД) є ключовим вузлом трансивера, що
виконує роль малопотужного джерела високостабільного сигналу змінної
частоти. Його основне призначення - формування частоти, яка при змішуванні
з сигналом іншого джерела (наприклад, опорного генератора) дозволяє
переналаштовувати приймач або передавач по радіочастотному діапазону для
вибору потрібної станції (рис.3.2). У розглянутій нами структурі ГПД
складається з трьох ключових частин: високодобротного резонансного LC-
контуру з елементами налаштування, активного автогенератора (на
транзисторі VT3), що підтримує коливання, та буферного каскаду (на
транзисторі VT4), який ізолює генератор від навантаження для збереження
стабільності частоти.
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 49
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
Рис.3.2 - Схема електрична генератор плавного діапазону
Принцип роботи ГПД базується на створенні незатухаючих коливань за
допомогою позитивного зворотного зв'язку. Основним елементом є
резонансний LC-контур (котушка індуктивності L4 та конденсатори), який
визначає частоту генерації. Енергія з контуру подається на базу транзистора
VT3, який підсилює сигнал і повертає його частину назад у контур через
подільник ємності C22/C23. Це компенсує втрати енергії в активному опорі
елементів, що дозволяє системі підтримувати постійну амплітуду коливань на
заданій частоті.
Для забезпечення високої стабільності роботи в схемі застосовано кілька
технічних рішень. По-перше, стабілітрон VD3 підтримує незмінну напругу
живлення, що запобігає «плаванню» частоти при коливаннях напруги в
мережі. По-друге, транзистор VT4 працює як буферний підсилювач
(емітерний повторювач). Він має високий вхідний опір, завдяки чому наступні
каскади трансивера не навантажують сам генератор. Це ізолює чутливий
задавальний контур від зовнішніх впливів, гарантуючи, що частота сигналу
залишатиметься незмінною навіть під час активної роботи передавача або
приймача. ГПД генерує синусоїду в діапазоні частот 4000-4300 кГц, який на
500 кГц більше за заданий робочий діапазон.
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 50
Змін.
Лист № докум. Підпис Дата
3.3 Реалізація високої селективності обробки сигналів
Застосування спеціалізованого вузькосмугового фільтра в тракті
проміжної частоти (ПЧ) є критично необхідним для забезпечення високої
вибірковості (селекції) за сусіднім каналом. У реальних умовах роботи
радіоелектронних засобів корисний сигнал часто оточений інтенсивними
завадами від сусідніх станцій, спектр яких може частково перекриватися з
робочою смугою. Фільтр з високою крутизною скатів АЧХ дозволяє
ефективно відсікати небажані компоненти спектра, що не тільки покращує
відношення сигнал/шум, але й запобігає перевантаженню наступних каскадів
підсилення, забезпечуючи чистоту та розбірливість прийнятої інформації
(рис.3.3).
Рис.3.3 - Ілюстрація селекції по сусідньому каналу (Adjacent channel)
Радіоканали (від Каналу 1 до Каналу 5) щільно розташовані у
частотному спектрі. Метою є виділення Каналу 4 (Ch4), який обведений
зеленим прямокутником — це форма ідеального смугового фільтра з
абсолютно прямокутними схилами, який пропускає лише корисний сигнал і
повністю відсікає все інше. Однак на практиці реальні фільтри (позначені
червоною пунктирною лінією) мають плавні схили амплітудно-частотної
характеристики (АЧХ). Через недостатню крутизну цих схилів, частина енергії
від потужних сигналів у сусідніх каналах (Канал 3 та Канал 5) потрапляє у
смугу пропускання нашого приймача. Ці ділянки позначені заштрихованими
червоними зонами. Чим ширша смуга пропускання реального фільтра і чим
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 51
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
похиліші його схили (нижча прямокутність), тим більшою буде площа цих
червоних зон, що на практиці проявляється як свист, тріск або накладання
чужої розмови на корисний сигнал. Саме для мінімізації цих «червоних зон» у
високоякісній апаратурі застосовують багатоланкові кварцові або
електромеханічні фільтри з високим коефіцієнтом прямокутності.
З метою зменшення масогабаритних показників та підвищення
експлуатаційної надійності пристрою, доцільно відмовитися від громіздкого
та чутливого до вібрацій електромеханічного фільтра ЕМФ-9Д-500-3В.
Прямою сучасною модифікацією в межах тієї ж частоти ПЧ (500 кГц) є
використання п'єзокерамічних фільтрів нового покоління. Такі компоненти
виготовляються за технологією багатошарової кераміки, що дозволяє досягти
параметрів селективності, порівнянних з ЕМФ, при цьому займаючи у 5–10
разів менше місця на друкованій платі та маючи значно вищий ресурс роботи
в умовах механічних навантажень.
Кварцовий фільтр XF-9B (або його сучасні аналоги серії CQ) - це
класичний 8-кристальний кварцовий фільтр, який став стандартом для
вузькосмугового прийому (SSB) (рис.3.4).
Рис.3.4 - Зовнішній вигляд кварцового фільтра XF-9B
Основні параметри фільтра:
• центральна частота: 9.0 МГц (що дозволяє позбутися дзеркального
каналу набагато ефективніше, ніж при ПЧ 500кГц);
• смуга пропускання: 2.4 кГц (по рівню -6дБ), що ідеально підходить для
мовного сигналу;
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 52
Змін.
Лист № докум. Підпис Дата
• коефіцієнт прямокутності: близько 1.8-2.0, що значно перевищує
показники стандартних ЕМФ;
• габарити: герметичний металевий корпус розміром приблизно 25 / 15 10
мм.
3.4 Реалізація балансного змішувача
Мікросхема К174ПС1 є спеціалізованим аналоговим вузлом, який
широко використовується в радіотехнічній апаратурі як перетворювач
частоти, змішувач або балансний модулятор. Її основне призначення полягає
в ефективному змішуванні двох сигналів (наприклад, вхідного ВЧ-сигналу та
сигналу гетеродина) для отримання сигналу проміжної частоти, а також у
детектуванні або генеруванні коливань у діапазоні до 200МГц. Завдяки
високій лінійності та низькому рівню власних шумів, вона забезпечує якісне
перетворення спектра без значного спотворення корисної інформації, що
робить її ідеальним вибором для компактних трансиверів та приймачів
(рис.3.5)
Рис..3.5 - Зовнішній вид та схемотехнічна реалізація ІС К174ПС1
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 53
Змін.
Лист № докум. Підпис Дата
Принцип побудови мікросхеми базується на схемі подвійного
балансного змішувача (відомого як комірка Гільберта), реалізованого на
шести транзисторах. Структура містить дві диференціальні пари, керовані
загальним каскадом, що забезпечує високий ступінь придушення сигналів на
вході та гетеродина на виході пристрою. Така архітектура дозволяє мікросхемі
працювати як з внутрішнім, так і з зовнішнім гетеродином, а наявність
інтегрованих резисторів та джерел струму забезпечує стабільність
температурних режимів і високу повторюваність параметрів пристрою при
мінімальній кількості зовнішніх компонентів.
Згідно з принциповою схемою мікросхеми К174ПС1, наведеною на
рис.3.5, призначення її виводів для типового ввімкнення у режимі змішувача
частоти є наступним:
• Вивід 5: Вхід напруги живлення (+Ucc). Через резистор R1 напруга
подається на внутрішній стабілізатор на діодах VD1–VD4;
• Виводи 2 та 3: Колекторні виходи подвійного балансного змішувача
(комірки Гільберта). Зазвичай сюди підключається симетричне
навантаження (наприклад, контур ПЧ або трансформатор);
• Виводи 7 та 8: Входи для подачі сигналу гетеродина (ГПД). Вони
з’єднані з базами транзисторів верхнього ярусу (VT1, VT6 та VT3, VT4);
• Виводи 11 та 13: Високоомні диференціальні входи для подачі вхідного
сигналу радіочастоти (ВЧ). Сигнал подається на бази нижніх
транзисторів VT2 та VT5;
• Виводи 10 та 12: Емітери транзисторів нижнього ярусу.
Використовуються для завдання робочого струму або для підключення
елементів зворотного зв’язку (через резистори R6 та R7);
• Виводи 1, 4, 6, 9, 14: Спільний провід («земля» або корпус). З’єднані з
від’ємною шиною живлення.
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 54
Змін. Лист
№ докум. Підпис Дата
Дана топологія забезпечує високий ступінь розв'язки між входами
сигналу та гетеродина, що критично важливо для стабільної роботи
трансивера.
3.5 Проектування опорного генератора формування частоти та ПНЧ
На схемі рис.3.6 зображено опорний кварцовий генератор, який є
критично важливим вузлом для формування стабільної частоти в трансивері.
Його основне призначення полягає у створенні високостабільного сигналу
фіксованої частоти (зазвичай 500кГц} або іншої, залежно від обраного фільтра
ПЧ), який використовується як еталон при вторинному перетворенні сигналу
або в процесі детектування (демодуляції) мовного сигналу (SSB). Завдяки
використанню кварцового резонатора ZQ2, такий генератор забезпечує
мінімальне відхилення частоти від заданого номіналу, що є обов'язковою
умовою для якісного відновлення інформації та запобігання викривленню
тембру голосу.
Рис.3.6 - Схемна реалізація опорного генератора частоти
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 55
Змін.
Лист № докум. Підпис Дата
Принцип роботи схеми базується на використанні транзистора VT5 в
режимі автогенератора з ємнісним зворотним зв'язком (трьохточкова схема).
Кварцовий резонатор ZQ2, підключений до бази транзистора, виконує роль
високодобротного вузькосмугового фільтра, який визначає точну частоту
генерації за рахунок явища п'єзоелектричного резонансу. Стабілітрон VD4
разом із резистором R24 формують каскад стабілізації напруги живлення, що
захищає генератор від нестабільності зовнішнього джерела енергії та запобігає
«вибігу» частоти при зміні режимів роботи трансивера. Сигнал знімається з
емітерного ланцюга через конденсатор C27 та резистор R22, що дозволяє
мінімізувати вплив навантаження на стабільність самого генератора.
Підсилювач низької частоти (ПНЧ) на основі інтегральної схеми
К174УН14 (аналог TDA2003) призначений для посилення потужності
звукових сигналів до рівня, необхідного для роботи динамічних головок або
телефонів. У структурі трансивера цей вузол є кінцевим етапом обробки
сигналу, забезпечуючи високий коефіцієнт підсилення при низькому рівні
нелінійних спотворень. Принцип роботи базується на використанні потужного
операційного підсилювача з внутрішнім захистом від перевантажень та
короткого замикання, що дозволяє отримувати вихідну потужність до
декількох ват при однополярному живленні (рис.3.7).
Рис.3.7 - Схемотехнічна реалізація ПНЧ
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 56
Змін. Лист № докум.
Підпис Дата
3.6 Вибір елементної бази при проектуванні пристрою
Основою для монтажу електронних компонентів пристрою обрано
друковану плату, виготовлену з фольгованого склотекстоліту товщиною 1 мм.
Цей матеріал, що базується на скляній тканині, просоченій синтетичними
сполуками, має підвищену механічну стійкість та відмінні діелектричні
властивості. Використання склотекстоліту забезпечує стабільність параметрів
пристрою в умовах вібрацій та температурних коливань, що є критично
важливим для збереження характеристик селективності вузькосмугових
фільтрів.
Корпус пристрою виконується з дюралюмінію, що зумовлено
необхідністю забезпечення надійного електромагнітного екранування
внутрішніх вузлів, зокрема змішувача на ІС К174ПС1 та опорного генератора.
Дюралюміній поєднує в собі легкість, високу механічну міцність та легкість в
обробці. Окрім захисної функції, металевий корпус виконує роль ефективного
тепловідводу для потужних елементів, таких як підсилювач низької частоти
К174УН14, запобігаючи їх перегріву під час тривалої роботи.
Монтаж радіодеталей здійснюється із застосуванням припою ПОС-61,
який має низьку температуру плавлення та високу плинність, що гарантує
надійність електричних з'єднань. Для видалення оксидів та забезпечення
якісного змочування поверхонь використовується флюс ФСК на основі
каніфолі та етилового спирту. Такий вибір матеріалів для паяння запобігає
корозії провідників та забезпечує довговічність пристрою в умовах підвищеної
вологості.
Для реалізації внутрішніх електричних зв'язків між друкованою платою,
роз'ємами та корпусом використовуються монтажні дроти типу МШВ із
перерізом 0,5 мм². Даний тип дроту є багатодротяним та ізольованим
подвійною обмоткою із шовку, що забезпечує необхідну гнучкість при
щільному компонуванні та високу надійність ізоляції в колах з напругою до
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 57
Змін.
Лист № докум. Підпис Дата
380 В. Це дозволяє мінімізувати паразитні наведення та забезпечити стабільну
передачу сигналів між функціональними блоками.
Вибір пасивних компонентів ґрунтується на вимогах до температурної
стабільності та точності номіналів. Зокрема, використовуються
металоплівкові резистори типу МЛТ, які характеризуються низьким рівнем
власних шумів та високою надійністю. Залежно від ділянки схеми,
застосовуються резистори з потужністю розсіювання від 0,125 до 2 Вт.
Особлива увага приділяється конденсаторам у частотно-задаючих колах та
фільтрах ПЧ, де використовуються керамічні або термостабільні плівкові
елементи, що гарантують незмінність характеристик селективності протягом
усього терміну експлуатації.
Для забезпечення високої стабільності характеристик вашого
пристрою, особливо в частині вибірковості та точності частот, вибір пасивних
компонентів має базуватися на їхніх температурних коефіцієнтах. Нижче
наведено рекомендації щодо вибору елементної бази з урахуванням ТКО та
ТКЄ.
При виборі резисторів для частотно-задаючих кіл та каскадів підсилення
необхідно орієнтуватися на температурний коефіцієнт опору (ТКО). Для
якісної роботи пристрою рекомендується використовувати прецизійні
металоплівкові резистори (наприклад, серії МЛТ або сучасні С2-29), оскільки
вони мають низький ТКО (зазвичай ±50 ⋅ 10−6/∘C). Це гарантує, що при
нагріванні корпусу під час тривалої роботи значення опору не «попливе», що
дозволить зберегти встановлені режими роботи транзисторів і мікросхем V у
стабільному стані.
Особливу увагу слід приділити вибору конденсаторів, виходячи з
їхнього температурного коефіцієнта ємності (ТКЄ). У колах контурів ПЧ та
опорного генератора (наприклад, біля ZQ2) доцільно застосовувати керамічні
конденсатори з групою ТКЄ МПО (або міжнародне позначення NP0/C0G).
Такі компоненти практично не змінюють свою ємність при коливаннях
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 58
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
температури, що є критично важливим для утримання стабільної частоти
опорного генератора та збереження налаштування фільтра на проміжну
частоту.
Для фільтрації напруги живлення (як у ланцюзі VD4, R24) та розв'язки
каскадів рекомендується використовувати оксидні (електролітичні)
конденсатори з низьким еквівалентним послідовним опором (Low ESR). Хоча
електролітичні конденсатори мають значний ТКЄ, у силових колах це менш
критично, ніж їхня здатність ефективно придушувати пульсації. Для
підвищення надійності в умовах температурних перепадів варто обирати
моделі з робочою температурою до +105∘C, що значно подовжить термін
служби пристрою.
У вхідних та перехідних колах доцільно застосовувати плівкові
конденсатори (поліпропіленові або поліетилентерефталатні). Вони мають
високу стабільність та низькі втрати на високих частотах. Вибір плівкових
конденсаторів дозволяє уникнути мікрофонного ефекту, властивого деяким
видам високовольтної кераміки, що позитивно впливає на чистоту звукового
сигналу на виході пристрою.
При проектуванні вузлів на базі мікросхем К174ПС1 та К174УН14 слід
враховувати паразитні індуктивності та ємності монтажу. Тому для
блокувальних конденсаторів по живленню найкращим вибором є
малогабаритні багатошарові керамічні конденсатори (MLCC), які
встановлюються максимально близько до виводів живлення мікросхем. Це
дозволяє ефективно гасити високочастотні завади, які можуть виникати в
результаті роботи цифрових вузлів або потужних каскадів підсилення.
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 59
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
3.7 Розрахунок окремих вузлів пристрою
На рис.3.8 зображено класичну схему двопівперіодного мостового
випрямляча, яка є невід'ємною частиною джерела живлення пристрою. Її
основне призначення полягає у перетворенні змінної напруги (U2), що
надходить з вторинної обмотки трансформатора T, у пульсуючу напругу однієї
полярності (Ud). Така конфігурація дозволяє ефективно живити постійним
струмом усі функціональні блоки трансивера, включаючи мікросхеми
К174ПС1 та К174УН14, забезпечуючи стабільну роботу активних елементів
[9, 10].
Рис.3.8 – Реалізація мостової схеми випрямляча
Принцип роботи схеми заснований на почерговому відкритті пар діодів
залежно від фази вхідної напруги. Під час позитивного півперіоду струм
проходить через діод VD1, навантаження RH та діод VD4. Коли полярність
напруги змінюється на негативну, відкриваються діоди VD3 та VD2, при
цьому напрямок струму через резистор навантаження залишається незмінним.
Як видно з часових діаграм на рисунку б, це забезпечує «випрямлення» обох
півхвиль синусоїди, що призводить до подвоєння частоти пульсацій порівняно
з мережевою.
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 60
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
Практична перевага такої побудови полягає у високому коефіцієнті
корисної дії та низькому рівні зворотних напруг, що діють на кожен окремий
діод. Порівняно з однопівперіодними схемами, мостовий випрямляч створює
значно менші пульсації, які легко згладжуються конденсаторами фільтра
великої ємності. Це критично важливо для чутливих вузлів, таких як опорний
кварцовий генератор, оскільки якісне випрямлення напруги мінімізує фон
змінного струму та перешкоджає виникненню паразитних шумів у тракті
низької частоти.
Наведемо розрахунок двопівперіодного мостового випрямляча та
силового трансформатора згідно з вихідними даними:
- вихідна напруга Uo = 34 В;
- вихідний струм Io=0,4 A;
- коефіцієнт пульсації Kп=15.
Максимальне значення випрямленої напруги: З урахуванням падіння
напруги на двох відкритих діодах моста (2 ⋅ ΔUd ≈ 2 ⋅ 0,7 В = 1,4 В), напруга
на вторинній обмотці трансформатора має бути:
U = Uo+2ΔUd = 34+1,4
2 ≈ 25,1 В.
√2 1,41
Максимальний струм, що проходить через один діод: У мостовій схемі
середній струм через діод становить половину вихідного струму:
Id.ср = 0,5 ⋅ Io = 0,5 ⋅ 0,4 = 0,2 А.
Зворотна напруга на діоді: Для мостової схеми максимальна зворотна
напруга дорівнює амплітудному значенню вторинної напруги:
Uзв.max = √2 ⋅ U2 = 1,41 ⋅ 25,1 ≈ 35,4 В.
Розрахунок згладжувального конденсатора: Ємність фільтра для
забезпечення коефіцієнта пульсацій Kп = 15% (0,15) при частоті мережі 50 Гц
(fпульс = 100 Гц для двопівперіодної схеми):
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 61
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
���� = �������� = 0,4 ≈ 784 мкФ.
2⋅����⋅��������⋅����п 2⋅50⋅34⋅0,15
Рекомендується обрати стандартне значення 1000 мкФ на напругу 50 В.
Розрахунок трансформатора - розрахунок базується на визначенні габаритної
потужності та параметрів обмоток.
• Потужність вторинної обмотки:
P2 = U2 ⋅ I2.
Струм вторинної обмотки для мостової схеми приблизно дорівнює I2 ≈ 1,5 ⋅
Io = 1,5 ⋅ 0,4 = 0,6 А
P2 = 25,1 ⋅ 0,6 ≈ 15,1 Вт.
Габаритна потужність трансформатора (Pгаб): З урахуванням ККД
(0,85–0,9):
P = P2 = 15,1
габ ≈ 16,8 Вт.
η 0,9
Площа перерізу осердя (Sc):
�������� = 1,2 ⋅ �����габ = 1,2 ⋅ √16,8 ≈ 4,9 см2.
Кількість витків на 1 Вольт: Для стандартного трансформаторного заліза
(���������������� ≈ 1,2 Тл):
���� = 45 = 45 ≈ 9,2 витків/В.
�������� 4,9
Кількість витків обмоток:
• Первинна (220 В): ����1 = 220 ⋅ 9,2 ≈ 2024 витки
• Вторинна (25,1 В): ����2 = 25,1 ⋅ 9,2 ⋅ 1,05 (враховуючи падіння напруги)
≈ 242 витки
Діаметр дротів (при щільності струму ���� = 2,5 А/мм2):
• Первинна: ����1 = 1,13 ⋅ �����1 ≈ 0,2 мм (де ����
���� 1 = ����габ/220 ≈ 0,076 А)
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 62
Змін.
Лист № докум. Підпис Дата
• Вторинна: ����2 = 1,13 ⋅ �����2 = 1,13 ⋅ �0,6 ≈ 0,55 мм
���� 2,5
3.8 Висновки
У ході виконання третього розділу було обґрунтовано вибір структурної
та принципової схем пристрою, що базуються на сучасній елементній базі та
класичних принципах побудови радіоприймальної апаратури. Детальний
аналіз роботи перетворювача частоти на мікросхемі К174ПС1 та підсилювача
низької частоти на К174УН14 підтвердив можливість досягнення високих
технічних характеристик при мінімальних габаритах. Використання
подвійного балансного змішувача дозволило забезпечити високу розв'язку між
каналами та стабільність роботи всього тракту обробки сигналу.
Особливу увагу було приділено селективності пристрою по сусідньому
каналу. Впровадження кварцового фільтра замість застарілого
електромеханічного дозволило значно покращити коефіцієнт прямокутності
АЧХ та забезпечити стабільне виділення корисного сигналу в умовах щільного
частотного спектра. Проведений аналіз впливу температурних коефіцієнтів
пасивних компонентів (ТКО та ТКЄ) дозволив обрати оптимальні типи
резисторів і конденсаторів, що гарантує надійне функціонування пристрою
при зміні зовнішніх умов експлуатації.
Розрахункова частина розділу підтвердила енергетичну ефективність
обраної системи живлення. Проектування двопівперіодного мостового
випрямляча та силового трансформатора забезпечило стабільну вихідну
напругу 34 В при струмі 0,4 А. Розрахований згладжувальний фільтр з ємністю
1000 мкФ гарантує низький рівень пульсацій, що є критично важливим для
усунення фонових шумів у чутливих каскадах опорного генератора та
підсилювача потужності.
Завершальним етапом проектування став вибір конструкційних
матеріалів, де перевага була надана фольгованому склотекстоліту для
друкованої плати та дюралюмінію для корпусу. Таке поєднання забезпечує
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 63
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
необхідну механічну міцність, ефективне електромагнітне екранування та
якісний тепловідвід.
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 64
Змін. Лист № докум.
Підпис Дата
РОЗДІЛ 4
ОХОРОНА ПРАЦІ
4.1. Аналіз небезпек та шкідливостей, що впливають на
співробітника в лабораторії
Забезпечення високого рівня обізнаності персоналу щодо специфічних
небезпек і шкідливих факторів, таких як ризик ураження електричним
струмом, вплив високочастотних електромагнітних полів та токсичність
продуктів паяння, є критично важливим етапом проектування безпечного
робочого середовища в радіотехнічній лабораторії. Обізнаність щодо
гранично допустимих рівнів випромінювання та правил експлуатації
вимірювальних приладів не лише мінімізує ймовірність професійних
захворювань, а й формує культуру праці, що забезпечує психологічний
комфорт колективу та запобігає аварійним ситуаціям у процесі науково-
технічної діяльності.
Важливими питаннями для розгляду є правильна організація
просторового розташування обладнання та налаштування робочого місця.
Згідно ДСТУ 8604:2015 «Дизайн і ергономіка. Робоче місце для виконання
робіт у положенні сидячи. Загальні ергономічні вимоги», висота сидіння
робочого стільця, яка регулюється в межах 400-550мм від рівня підлоги,
забезпечує кут згину в колінних суглобах близько 90∘. Ступні при цьому
щільно прилягають до підлоги або спеціальної підставки, що запобігає
порушенню кровообігу в нижніх кінцівках під час тривалого проектування.
Поверхня робочого столу знаходиться на висоті, що відповідає ліктьовому
рівню фахівця (680-750 мм), що дозволяє м'язам плечового поясу залишатися
в розслабленому стані при роботі з паяльним обладнанням чи клавіатурою ПК.
При проведенні комп'ютерних досліджень, моделюванні схем у
середовищах САПР або аналізі сигналів, відстань від очей до монітора
становить 600-700 мм. Верхня кромка екрана розташована на рівні очей або
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 65
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
трохи нижче, щоб забезпечує природний нахил голови та мінімізує
напруження шийних хребців.
Для забезпечення безпечних умов праці в радіотехнічній лабораторії
необхідно дотримуватися норм акустичного режиму, регламентованих ДБН
В.1.1-31:2013 «Захист територій, будинків і споруд від шуму». Згідно з цим
документом, еквівалентний рівень шуму на робочих місцях дослідників та
інженерів-проектувальників не перевищує 50-60 дБА, що дозволяє
підтримувати високу концентрацію уваги та запобігати швидкій
втомлюваності нервової системи. Виконання цих вимог досягається шляхом
раціонального розміщення витяжних систем, використання малошумного
лабораторного обладнання та застосування звукопоглинальних матеріалів у
конструкції приміщення. Вимірювання зафіксували показники, що майже на
10 дБА нижчі за норму, тому умови праці в лабораторії є цілком сприятливими
для підтримки високої концентрації уваги та проведення складних досліджень
без акустичного дискомфорту.
Згідно з вимогами ДСТУ Б В.2.5-82:2016, безпека експлуатації
електроустановок у лабораторії базується на системному підході до мінімізації
ризиків ураження електричним струмом. Основним небезпечним фактором
при проектуванні радіотехнічної апаратури є можливість прямого або
непрямого дотику до струмопровідних частин, що перебувають під напругою,
або металевих корпусів, які можуть опинитися під напругою внаслідок
пошкодження ізоляції. Стандарт регламентує обов'язкове використання
засобів захисту, таких як автоматичні вимикачі та пристрої захисного
відключення (ПЗВ) із порогом спрацьовування не більше 30 мА, які
забезпечують швидке знеструмлення мережі у разі виникнення витоку струму,
що є критично важливим при роботі з відкритими шасі та макетами пристроїв.
Ключовим елементом системи електробезпеки є захисне заземлення, яке
забезпечує зниження напруги дотику до безпечного значення шляхом
створення електричного з’єднання металевих неструмопровідних частин
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 66
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
обладнання із заземлювальним пристроєм. Виконання вимог ДСТУ Б В.2.5-
82:2016 щодо опору заземлювального контуру та цілісності захисних
провідників є гарантією безпечного проведення налагоджувальних робіт та
тривалої експлуатації спроектованої апаратури.
Деталізація вимог щодо опору заземлювального контуру згідно з ДСТУ
Б В.2.5-82:2016 передбачає, що величина електричного опору розтіканню
струму має бути мінімальною для забезпечення миттєвого спрацьовування
захисної апаратури. Для електроустановок напругою до 1000 В, які
використовуються в радіотехнічних лабораторіях, опір заземлювального
пристрою зазвичай не повинен перевищувати 4 Ом.
Енергозабезпечення здійснюється однофазною мережею змінного
струму напругою 220 В. Електропроводка виконана мідним дротом
прихованого типу в спеціальних вогнетривких каналах, що повністю виключає
можливість випадкового дотику до відкритих струмопровідних частин у
процесі експлуатації та захищає кабелі від механічних пошкоджень.
Усі лабораторні стенди та допоміжна апаратура мають сумарну
споживану потужність у межах 3000 Вт, що створює помірне навантаження на
мережу. Оскільки корпуси більшості приладів, а також шасі спроектованого
пристрою є металевими, у приміщенні згідно з вимогами ДСТУ Б В.2.5-
82:2016 прокладена загальна магістраль захисного заземлення. Для зручного
та безпечного підключення техніки в зоні безпосередньої досяжності робочих
столів встановлено 10 розеток із заземлювальним контактом (євростандарт),
що дозволяє уникнути використання подовжувачів та забезпечує надійне
під'єднання кожного приладу до системи захисного занулення.
У разі раптового зникнення напруги в мережі необхідно негайно
перевести вимикачі всіх приладів у стан «Вимкнено», щоб запобігти їх виходу
з ладу при стрибкоподібному відновленні живлення. З метою запобігання
прямому контакту зі струмопровідними частинами під напругою,
співробітникам забороняється доступ до головного розподільного щита
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 67
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
лабораторії.
Для нейтралізації шкідливого впливу хімічних речовин, які виникають в
лабораторії під час роботи з флюсами і т.п., робочі місця в лабораторії
обладнанні витяжними шафами та локальними димовловлювачами з
ефективною системою фільтрації. Згідно з санітарними нормами, швидкість
руху повітря у створі витяжної шафи має бути достатньою для повного
видалення парів розчинників та аерозолів безпосередньо з зони їх виникнення.
Окрім механічної вентиляції, правила безпеки передбачають зберігання
спирто-бензинових сумішей у спеціальній герметичній тарі невеликого об’єму
та маркування всіх хімічних реактивів, що дозволяє мінімізувати ризики
токсичного отруєння та забезпечити пожежну безпеку в науково-дослідному
приміщенні.
Ефективність системи місцевої вентиляції розраховується таким чином,
щоб забезпечити видалення продуктів термічного розкладу флюсів та
аерозолів припою безпосередньо від місця паяння. Згідно з вимогами ДСТУ-
Н Б А.3.2-1:2007, параметри витяжного пристрою повинні підтримувати
концентрацію шкідливих речовин у повітрі робочої зони на рівні, що не
перевищує гранично допустимих значень, зокрема для парів свинцю та
каніфолі — не більше 0,009 мг/м³. Для досягнення таких показників швидкість
руху повітря у створі витяжної шафи має бути не меншою за 0,5–0,7 м/с, що
гарантує повне захоплення токсичних випарів при роботі з такими
матеріалами, як каніфольний флюс та олов’яно-свинцеві припої марки ПОС-
61.
Для забезпечення комфортних та безпечних умов праці персоналу
приміщення лабораторії організовано згідно з вимогами ДБН В.2.2-28:2010
щодо мінімально допустимого простору. Задана площа лабораторії розміром
3.0м.х4.0м. становить 12м2, що при висоті стелі 3м. створює робочий об’єм у
36м3. Враховуючи специфіку досліджень, на кожне робоче місце дослідника
припадає по 6м2 площі та 18м3. об’єму, що відповідає встановленому
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 68
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
санітарному мінімуму для приміщень з обчислювальною технікою та
лабораторним обладнанням.
Така просторова організація дозволяє раціонально розмістити компактні
стенди для моделювання радіотехнічних пристроїв, зберігаючи при цьому
вільні проходи шириною не менше 1.0м для безпечного переміщення
персоналу. Попри компактні розміри лабораторії, дотримання нормативної
щільності розміщення робочих місць (не більше двох осіб одночасно)
забезпечує ефективний повітрообмін, знижує рівень накопичення статичного
заряду та запобігає надмірним тепловим викидам від працюючої апаратури,
що сприяє підтримці оптимального мікроклімату та високої працездатності.
Забезпечення оптимальних кліматичних умов у приміщенні лабораторії
площею 12м2 регулюється санітарними нормами ДСН 3.3.6.042-99, які
встановлюють вимоги до мікроклімату залежно від категорії енерговитрат
працівника (категорія Іа - легка фізична робота). Для холодного періоду року
цільовим показником температури є діапазон 22-240С при швидкості руху
повітря не більше 0.1 м/с, тоді як у теплий період допустимим вважається
значення 23-250С при швидкості потоків до 0.2 м/с. Відносна вологість повітря
має стабільно підтримуватися в межах 40-60% що є важливим для
запобігання накопиченню статичного заряду на досліджуваних пристроях.
Підтримання зазначених параметрів у малому об’ємі приміщення (36м3)
досягається шляхом використання автоматизованої системи кондиціонування
та припливно-витяжної вентиляції з можливістю регулювання повітряних
потоків. Це дозволяє ефективно компенсувати теплові виділення від
працюючих лабораторних джерел живлення, осцилографів та паяльних
станцій, сумарна потужність яких може досягати 3кВт, не створюючи при
цьому протягів, які могли б негативно вплинути на точність вимірювань.
У зимовий період температурний режим у приміщенні лабораторії
коливається в межах 19-210С, що при певних умовах не досягає встановленого
санітарного мінімуму (200С для робіт категорії Іа) згідно з ДСН 3.3.6.042-99.
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 69
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
Така невідповідність класифікує умови праці як шкідливі першого ступеня, що
створює ризики переохолодження персоналу, поширення респіраторних
інспекцій та зниження концентрації уваги під час виконання точних
маніпуляцій з радіоелектронними компонентами. Окрім впливу на персонал,
знижена температура може негативно позначатися на параметрах
вимірювальної апаратури, викликаючи додаткову температурну похибку при
налагодженні радіотехнічних каскадів.
Для корекції ситуації та забезпечення стабільного мікроклімату в межах
12.0м2 доцільно застосовувати локальні опалювальні прилади (конвектори або
масляні радіатори) з інтегрованими термостатами. Це дозволяє підтримувати
стабільне тепло без пересушування повітря та виключає значні градієнти
температур в обмеженому просторі лабораторії. Використання таких приладів
у поєднанні з герметизацією віконних прорізів забезпечує дотримання
кліматичних умов, що є необхідною умовою для безпечної та тривалої
експлуатації обчислювальної техніки та вимірювальних стендів.
Показник відносної вологості в робочій зоні лабораторії коливається в
межах 62–65%, що перевищує оптимальний діапазон 40–60%, встановлений
ДСН 3.3.6.042-99. У літні місяці така надмірна вологість перешкоджає
природній терморегуляції організму, викликаючи швидку втому та зниження
когнітивної ефективності персоналу. У зимовий період підвищена вологість
посилює негативний вплив низьких температур, створюючи умови для
переохолодження. Окрім фізіологічного впливу, перевищення норми
вологості є критичним для радіотехнічного обладнання: воно сприяє
окисленню контактних майданчиків на платах та може призвести до зміни
діелектричної проникності середовища, що негативно впливає на стабільність
параметрів високочастотних вузлів.
Для нормалізації цього параметра доцільно використовувати компактні
осушувачі повітря конденсаційного типу або модернізувати існуючу систему
припливно-витяжної вентиляції. Встановлення модулів підігріву та осушення
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 70
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
повітряного потоку дозволить не лише підтримувати вологість у межах норми,
а й запобігти випаданню конденсату на металевих поверхнях вимірювальних
приладів та дюралюмінієвих корпусах пристроїв під час різких перепадів
температур.
Система освітлення робочого простору лабораторії площею 12,0м²
базується на поєднанні природного світла, що надходить крізь два віконні
проєми розміром 2×1,4м, та мережі штучного освітлення. Відповідно до
положень ДБН В.2.5-28:2018, науково-дослідні та монтажні роботи в
радіотехнічній лабораторії належать до категорій високої зорової точності, що
вимагає підтримання рівня освітленості на робочих поверхнях не нижче 500лк.
Для забезпечення таких показників у вечірній час та в похмуру погоду
використовуються стельові LED-світильники з колірною температурою 4000–
5000К, яка є найбільш сприятливою для тривалої концентрації уваги та
адекватної передачі кольору при маркуванні компонентів.
З метою створення максимально комфортного світлового середовища та
запобігання засліпленню персоналу прямими сонячними променями, вікна
обладнані світлорозсіювальними жалюзі. Крім того, кожне робоче місце
доукомплектоване лампами місцевого освітлення на гнучких кронштейнах,
що дозволяє індивідуально регулювати світловий потік безпосередньо в зоні
паяння або вимірювань. Таке комбіноване рішення не лише гарантує
дотримання норм ДСТУ EN 12464-1:2017 щодо рівномірності розподілу
яскравості, а й мінімізує коефіцієнт пульсації та показник засліпленості,
запобігаючи швидкій зоровій втомлюваності фахівців при роботі з дрібними
деталями.
Аналіз системи освітлення в лабораторії показав, що штучне освітлення
в приміщенні реалізовано за допомогою чотирьох стельових світильників серії
ЛСП 02В-1×40 з люмінесцентними джерелами світла потужністю 30Вт кожне.
Відповідно до вимог ДБН В.2.5-28:2018, для забезпечення умов праці високої
точності, що характерно для проектування та налагодження радіоелектронної
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 71
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
апаратури, мінімальний поріг освітленості на робочих поверхнях має складати
не менше 500лк. Проте результати інструментальних замірів свідчать, що
реальні показники коливаються в межах 300–350лк. Такий дефіцит світлового
потоку призводить до надмірного зорового напруження, провокує передчасну
втому персоналу та створює ризики при роботі з дрібними компонентами, що
безпосередньо впливає на точність науково-дослідних маніпуляцій.
З метою приведення параметрів середовища у відповідність до
державних стандартів, необхідно провести модернізацію освітлювальної
мережі. Пріоритетним кроком є повна заміна застарілих люмінесцентних ламп
на сучасні LED-панелі з високою світловіддачею (не менше 100 лм/Вт) та
колірною температурою близько 4000К. Окрім заміни загального світла,
критично важливим є впровадження системи комбінованого освітлення:
встановлення локальних безтіньових світильників безпосередньо над зонами
паяння та монтажу. Використання спеціальних матових розсіювачів дозволить
мінімізувати коефіцієнт пульсації та усунути відблиски від металевих
корпусів приладів, створюючи рівномірне та безпечне світлове поле.
Згідно з вимогами ДСТУ Б В.1.1-36:2016, приміщення лабораторії за
ступенем пожежної небезпеки класифікується як об'єкт категорії В. Такий
статус обумовлений наявністю пожежного навантаження у вигляді ізоляції
кабельних мереж, пластмасових корпусів вимірювальної техніки та
дерев’яних елементів меблів, що при займанні здатні створювати високу
димоутворювальну здатність. Відповідно до Правил пожежної безпеки в
Україні (ППБУ), у приміщенні площею 12,0м² встановлено суворий режим, що
забороняє захаращення евакуаційного шляху до дверей, ширина якого має
становити не менше 1,0м, а також використання тимчасових електромереж
(«переносок») для постійного живлення лабораторних стендів.
Система протипожежного захисту лабораторії організована згідно з ДБН
В.2.5-56:2014 і передбачає обов'язкове встановлення автоматичної пожежної
сигналізації з тепловими або димовими сповіщувачами. Для забезпечення
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 72
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
первинного гасіння пожежі, враховуючи наявність обладнання під напругою
до 1000 В, приміщення оснащується вуглекислотним вогнегасником типу
ВВК-3,5, оскільки використання порошкових вогнегасників у наукових
лабораторіях обмежене через ризик незворотного пошкодження прецизійної
електроніки дрібнодисперсним пилом. Крім того, на вхідних дверях
лабораторії має бути розміщений знак категорії приміщення за
вибухопожежною та пожежною небезпекою, а персонал повинен проходити
щорічний інструктаж з пожежно-технічного мінімуму.
У разі виникнення пожежі або виявлення ознак горіння (задимлення,
запах гару, підвищення температури) у лабораторії радіотехнічного профілю,
персонал повинен діяти за чітко визначеним алгоритмом, що базується на
вимогах НАПБ А.01.001-2014 «Правила пожежної безпеки в Україні»:
1. Негайне сповіщення та знеструмлення
Першочерговим завданням є припинення подачі електроживлення та
виклик допомоги:
• виклик рятувальної служби - негайно зателефонувати за номером 101;
• повне знеструмлення;
• оповіщення - подати сигнал тривоги всередині будівлі, щоб попередити
колег в сусідніх приміщеннях.
2. Евакуація та локалізація
Безпека персоналу є пріоритетом над порятунком майна:
• евакуація - вивести людей з приміщення, використовуючи найкоротший
шлях до виходу згідно з планом евакуації;
• обмеження поширення вогню - за можливості, після виходу останньої
особи, щільно зачинити вікна та двері лабораторії, щоб перекрити
доступ кисню до зони горіння;
• гасіння первинними засобами - якщо осередок пожежі незначний і немає
загрози життю, розпочати гасіння за допомогою вуглекислотного
вогнегасника ВВК-3,5.
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 73
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
3. Дії до прибуття пожежного підрозділу
Після залишення небезпечної зони персонал повинен сприяти роботі
рятувальників:
• зустріч підрозділів - керівник лабораторії або відповідальна особа
повинні зустріти пожежний підрозділ, вказати найкоротший шлях до
осередку та повідомити про наявність у приміщенні балонів зі
стисненим газом або легкозаймистих речовин (якщо такі є);
• перевірка наявності людей ;
• інформування про електромережі - підтвердити пожежникам, що
електроживлення в лабораторії повністю вимкнено.
Забезпечення електромагнітної безпеки персоналу в лабораторії
регламентується нормами ДСН 3.3.6.096-2002, які встановлюють гранично
допустимі рівні (ГДР) електромагнітного випромінювання (ЕМВ) у широкому
діапазоні частот. Оскільки наукова діяльність пов'язана з експлуатацією
осцилографів, генераторів сигналів та засобів обчислювальної техніки,
інтенсивність електричного поля на робочих місцях не повинна перевищувати
0,5кВ/м для промислової частоти 50 Гц, а щільність потоку енергії в діапазоні
високих частот обмежена значеннями, що виключають тепловий вплив на
організм дослідника. Такий суворий контроль є критичним для запобігання
функціональним порушенням нервової та серцево-судинної систем персоналу
при тривалій експозиції полів, що генеруються високочастотними каскадами
та силовими трансформаторами джерел живлення.
Напруженість електростатичного поля на робочому місці не повинна
перевищувати 20 кВ/м протягом однієї години роботи. Для виконання цієї
норми в умовах обмеженого простору лабораторії (3х4 м) обов'язковим є
використання антистатичного покриття підлоги, заземлення металевих
корпусів усіх приладів та підтримання відносної вологості повітря на рівні 40–
60%, що перешкоджає накопиченню зарядів. Дотримання цих параметрів не
лише гарантує безпеку здоров’я наукового співробітника, але й забезпечує
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 74
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
стабільність роботи прецизійної електроніки та захищає чутливі
напівпровідникові компоненти, як-от польові транзистори, від незворотного
електричного пробою. Результати вимірювань електростатичного поля також
підтвердили відсутність перевищень гранично допустимих норм.
Система інструктажів у лабораторії є ключовим елементом системи
управління охороною праці та регулюється НПАОП 0.00-4.12-05 «Типове
положення про порядок проведення навчання і перевірки знань з питань
охорони праці». Основним є вступний інструктаж, який проводиться з усіма
новими співробітниками при прийнятті на роботу, незалежно від їхньої освіти
чи стажу.
Безпосередньо на робочому місці перед початком виконання обов'язків
проводиться первинний інструктаж. Для підтримання належного рівня знань
та врахування зносу обладнання чи змін у нормативній базі, не рідше одного
разу на шість місяців проводиться повторний інструктаж. Окреме місце
посідають позаплановий та цільовий інструктажі.
Більшість безпекових параметрів у лабораторії відповідають нормам,
проте стан штучного освітлення на робочих місцях залишається
незадовільним. Для усунення цього недолікупропонується модернізувати
систему освітлення. Найбільш раціональним рішенням є перехід на сучасні
LED-модулі, що гарантує рівномірне розсіювання світла та забезпечує
нормативні показники яскравості при економії електроенергії.
4.2. Модернізація системи штучного освітлення радіотехнічної
лабораторії
Система штучного освітлення в робочих приміщеннях регламентується
державними будівельними нормами ДБН В.2.5-28:2018, де ключовим
критерієм виступає характеристика зорової роботи. Оскільки норми мають
міжгалузевий характер, вони слугують фундаментом для розробки галузевих
стандартів, що враховують специфіку конкретних технологічних процесів. У
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 75
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
контексті радіотехнічної лабораторії це означає перехід до вищих розрядів
точності, де критичним є не лише кількісний показник люксів, а й якісні
параметри світлового середовища, такі як відсутність відблисків та
стабільність світлового потоку.
Модернізація мережі шляхом заміни застарілих джерел світла на
світлодіодні (LED) модулі дозволяє досягти суттєвої економічної вигоди за
рахунок зниження споживання електроенергії. Окрім прямої економії коштів,
такі системи сприяють покращенню екологічних показників об'єкта, оскільки
LED-лампи не містять шкідливих парів ртуті, на відміну від люмінесцентних
аналогів, і не потребують спеціальних дороговартісних протоколів утилізації.
Порівняльний аналіз експлуатаційних характеристик демонструє безумовну
перевагу світлодіодних технологій над традиційними лампами розжарювання
та компактними люмінесцентними лампами (КЛЛ). Попри вищу початкову
вартість, термін служби LED-лампи (10 Вт) може сягати 5–10 років, що в рази
перевищує ресурс лампи розжарювання. Це кардинально знижує витрати на
обслуговування системи, оскільки відпадає потреба в частих замінах
компонентів у важкодоступних місцях, що разом із високою світловіддачею
робить світлодіодну модернізацію найбільш раціональним і сучасним
рішенням для науково-дослідних підрозділів.
Сучасний ринок світлодіодних джерел світла пропонує широке
різноманіття конструкцій, які класифікуються за типом монтажу світлодіодів
та призначенням (рис.4.1).
Рис.4.1 - Різновиди та зовнішній вигляд типових світлодіодних ламп
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 76
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
Найбільш поширеними є лампи з технологією SMD (Surface Mounted
Device), де множина окремих кристалів розміщена на друкованій платі, що
забезпечує рівномірне розсіювання тепла та широкий кут освітлення (рис.4.2-
а). Окрему категорію становлять філаментні лампи (LED Filament), які зовні
нагадують класичні лампи розжарювання: у них світлодіоди встановлені на
довгих тонких підкладках, що дозволяє досягти кута розсіювання світла у 360°
та зберегти естетичний вигляд для декоративних цілей (рис.4.2-б).
а) б)
Рис..4.2 – Різновиди LED ламп: SMD (Surface Mounted Device)
технологія (а), філаментні лампи (LED Filament) (б).
На відміну від стандартних LED-ламп, філаментні моделі не мають
великого алюмінієвого радіатора. Проблема перегріву вирішується інакше.
Скляна колба заповнюється сумішшю газів із високою теплопровідністю
(найчастіше на основі гелію). Газ циркулює всередині колби, забираючи тепло
від ниток і передаючи його на скляну поверхню ламп, яка далі розсіює його в
навколишнє середовище.
Для забезпечення нормативного рівня освітленості не менше 500 лк (що
відповідає вимогам до робіт найвищої точності в радіотехнічних лабораторіях)
для приміщення площею 12м2 доцільно обрати сучасні світлодіодні панелі
типу LED 600x600 45W.
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 77
Змін.
Лист № докум. Підпис Дата
Ці світильники є енергоефективною заміною растрових систем, мають
низький коефіцієнт пульсації та забезпечують високу світловіддачу.
1. Визначення висоти підвісу світильника/
Використовуємо формулу:
ℎ = ���� − ℎ���� − ℎ���� − ℎ���� , (4.1)
де параметри приміщення мають наступні характристики:
• ���� = 3 м (висота стелі);
• ℎ���� = 0,05 м (товщина сучасної LED-панелі);
• ℎ���� = 0 м (панелі монтуються впритул до стелі або в підвісну систему);
• ℎ���� = 0,7 м (висота робочого столу).
• Розрахунок:
ℎ = 3 − 0,05 − 0 − 0,7 = 2,25 м. (4.2)
2. Визначення індексу приміщення:
Габарити лабораторії: довжина ���� = 4 м, ширина ���� = 3 м.
���� = ����⋅���� . (4.3)
ℎ⋅(����+����)
���� = 4⋅3 = 12 ≈ 0,76.
2,25⋅(4+3) 15,75
3. Розрахунок освітленості на робочому місці:
Для розрахунку використовуємо формулу:
���� = Фл⋅����⋅����. (4.4)
����⋅����з⋅����
Приймаємо наступні параметри для 4-х LED-світильників по 45 Вт:
• Фл = 4200 лм (світловий потік однієї LED-панелі потужністю 45 Вт);
• ���� = 4 (загальна кількість світильників);
• ���� = 0,48 (коефіцієнт використання світлового потоку для LED при ���� =
0,76 та світлих стінах ����п = 70%,����с = 40%);
• ���� = 12 м2(площа приміщення);
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 78
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
• ����з = 1,2 (коефіцієнт запасу для LED, оскільки вони менше втрачають
яскравість і не накопичують пил всередині корпусу так сильно, як
растрові);
• ���� = 1,1 (коефіцієнт нерівномірності освітлення).
Підставляємо значення:
���� = 4200⋅4⋅0,48 = 8064 ≈ 509 лк.
12⋅1,2⋅1,1 15,84
При використанні лише 4-х світильників потужністю 45 Вт ми отримуємо
~510 лк.
В якості конкретного зразка оберемо наступний світильник -
світлодіодна панель 600х600 45 Вт 5000К IP20 OPTIMA (рис.4.3).
Рис.4.3 – Зовнішній вид світлодіодної панелі 600х600 45 Вт 5000К IP20
OPTIMA
Загальні технічні параметри світлодіодної панелі:
• споживана потужність: 45 Вт;
• світловий потік: 3600 лм;
• колірна температура: 5000 К (холодне біле світло, що сприяє
концентрації уваги та є оптимальним для робочих зон лабораторій);
• тип розсіювача: матовий (Opal) або мікропризма (Prism), що забезпечує
рівномірне розсіювання без сліпучого ефекту;
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 79
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
• кут розсіювання: 120°;
Конструктивні особливості:
• габаритні розміри: 595 х 595 х 25 мм (стандарт під систему
«Армстронг»);
• ступінь захисту: IP20 (призначений для використання всередині сухих
приміщень);
• матеріал корпусу: алюміній/сталь (виконує функцію радіатора для
відведення тепла) та пластик;
• робоча напруга: 175–265 В.
Експлуатаційні показники:
• коефіцієнт потужності (PF): > 0,9 (мінімізує реактивні втрати в мережі);
• індекс кольоропередачі (CRI): > 80 Ra (забезпечує правильне сприйняття
кольорів маркування деталей);
• коефіцієнт пульсації: < 1% (відсутність видимого мерехтіння, що
безпечно для очей при роботі з осцилографами).
• ресурс роботи: до 50 000 годин.
Таким чином, для модернізації системи загального штучного освітлення
лабораторії площею 12м2 запропоновано 4 світлодіодні світильники з
світловим потоком 3600 лм кожен. Після модернізації фактична освітленість
на робочому місці становитиме не менше 500 лк., що повністю відповідає
нормативним вимогам до виконання науково-дослідних та монтажних робіт
високої точності згідно з ДБН В.2.5–28–2018.
План розташування світильників позначено на рис.4.4.
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 80
Змін. Лист № докум. Підпис
Дата
Рис.4.4 - – Розташування світильників в приміщенні лабораторії.
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 81
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
ВИСНОВОК
У дипломній роботі проведено комплексне дослідження та розробку
приймально-передавального пристрою (трансивера), що призначений для
роботи в короткохвильовому (КХ) діапазоні (3,5–3,8 МГц). У першому розділі
обґрунтовано актуальність проектування КХ-систем як автономного та
стратегічно стійкого засобу зв'язку, здатного функціонувати без супутникової
чи наземної інфраструктури. Проаналізовано особливості поширення
радіохвиль, зокрема механізм відбиття від іоносфери, а також еволюцію
архітектур трансиверів від класичних супергетеродинних схем до сучасних
цифрових систем із програмною обробкою сигналів.
У другому та третьому розділах детально описано проектування та
обґрунтування структурних елементів пристрою, де ключовим рішенням стало
використання спеціалізованих мікросхем для формування подвійного
балансного змішувача. Такий підхід дозволив створити стабільний аналоговий
трансивер із чистим SSB-сигналом та високою селективністю. Робота охоплює
повний цикл принципів проектування: від параметрів ГПЧ та опорного
генератора на кварцовому резонаторі до силового трансформаторного джерела
живлення, що мінімізує електромагнітні завади.
Розділ «Охорона праці» присвячений створенню безпечного робочого
середовища в лабораторії, де особлива увага приділена модернізації системи
освітлення. Проведено порівняльний аналіз сучасних джерел світла, зокрема
SMD та філаментних (LED Filament) ламп, і доведено перевагу світлодіодних
технологій над люмінесцентними за показниками енергоефективності,
терміну служби та екологічності. Впровадження нових LED-систем дозволяє
забезпечити нормативну освітленість понад 750 лк, що критично для точних
радіотехнічних робіт.
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 82
Змін. Лист № докум. Підпис Дата
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
1. Радіотехніка: Енциклопедичний навчальний довідник: Навч. посібник / За
ред. Ю. Л. Мазора, Є. А. Мачуського, В. І. Правди. - К.: Вища шк., 1999. -
838 с.
2. Приймання та оброблення сигналів: практикум для студентів освітньо-
кваліфікаційного рівня «бакалавр» напряму підготовки 6.050901
«Радіотехніка» усіх форм навчання [Текст] / Укл.: Ю.Г. Лега, В.В. Палагін,
С.В. Салипа, В.Ф. Бондаренко; М-во освіти і науки, Черкас, держ.
технолог., ун-т. - Черкаси: ЧДТУ, 2014. - 256 с.
3. Ю.О.Головін, Д.І.Могилевич. Основи теорії радіозв'язку теоретичні
основи та практичні аспекти / Навчальний посібник. Рекомендовано
Методичною радою КПІ ім. Ігоря Сікорського як навчальний посібник для
здобувачів ступеня бакалавра за освітньою програмою «Спеціальні
телекомунікаційні системи» спеціальності 172 Електронні комунікації та
радіотехніка, 2023. - 248с.
4. Радіопередавальні пристрої : навчальний посібник / В. М. Ткачук, С. М.
Цирульник, Т. А. Петренко. – Вінниця : Т. П. Барановська, 2015. – 188 с.
5. “Передавальні та приймальні пристрої” [Текст]: метод. вказівки до
проведення практичних занять для студентів cпеціальності 172
«Телекомунікації та радіотехніка» спеціалізацій «Інформаційно-
комунікаційні технології», / Уклад.: Г.Л.Авдєєнко, О.Ф.Цуканов. – К.: КПІ
ім. Ігоря Сікорського, 2020. – 116 с.
6. Пахтусов В. В. Основи побудови засобів радіозв’язку : навч. посіб. Київ :
ВІТІ, 2004. – 292 с.
7. Гайдук О.В. Радіотелекомунікаційні технології: радіопередавальні та
радіоприймальні пристрої. – Ніжин: ТОВ «Видавництво
«АспектПолігаф»», 2007. – 320 с.
8. Конахович Г. Ф. Системи радіозв’язку. Київ: НАУ, 2011. - 311 с.
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 83
Змін. Лист
№ докум. Підпис Дата
9. Аналогове оброблення сигналів. Схемотехніка. Розрахунки : підручник /
С. О. Сєдов. – Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, Вид-во «Політехніка»,
2018. – 298 с.
10. Схемотехніка електронних систем: у 3 кн. Кн. 1. Аналогова схемотехніка
та імпульсні пристрої: Підручник / В.І. Бойко, А.М. Гуржій, В.Я. Жуйков
та ін. – 2-е вид., допов. і переробл. – К.: Вища шк., 2004. – 366 с.
11. ДБН В.2.2-28:2010 «БУДИНКИ АДМІНІСТРАТИВНОГО ТА
ПОБУТОВОГО ПРИЗНАЧЕННЯ» // Мінрегіонбуд України 2011.;
12. ДБН В. 2.5-28:2018 «ПРИРОДНЕ І ШТУЧНЕ ОСВІТЛЕННЯ» //
Мінрегіон України Київ 2018ДСН 3.3.6.042-99. «Санітарні норми
мікроклімату виробничих приміщень» // ДНАОП законодавча база
[Електронний ресурс], режим доступу:
https://dnaop.com/html/34094/doc%D0%94%D0%A1%D0%9D_3.3.6.042-99;
13. ДСН 3.3.6.037-99 «Санітарні норми виробничого шуму, ультразвуку та
інфразвуку» // Міністерство охорони здоров’я України Головне санітарно-
епідеміологічне управління Київ 1999;
14. ДНАОП 0.00-1.32-01 «Правила будови електроустановок.
Електрообладнання спеціальних установок»// ДНАОП законодавча база
[Електронний ресурс], режим доступу: https://dnaop.com/html/1692/doc-
%D0%9D%D0%9F%D0%90%D0%9E%D0%9F_40.1-1.32-01
Лист
РТ225. 22349.248 ПЗ 84
Змін. Лист
№ докум. Підпис Дата