Принцип функционирования радиотехнических систем

1. Принцип функционирования радиотехнических систем

1.1 Основные понятия и определения

1.2 Получение гармонических колебаний

1.3 Параметры колебательного контура

1.4 Последовательный колебательный контур. Резонанс напряжений

1.5 Параллельный колебательный контур. Резонанс токов

2. Классификация радиотехнических систем

2.1 Преобразование сигналов в радиотехнических системах

3. Сигналы, используемые в радиотехнических системах

3.1 Классификация сигналов

3.2 Элементы кодирования в теории информации. Коды, используемые в радиосвязи

3.2.1 Код Бодо (Международный телеграфный код N2 — МТК0.

3.2.2 Код ASCII (American Standard Code for Information Interchange)

4. Модуляция

4.1 Амплитудная модуляция

4.2 Частотная модуляция

4.3 Фазовая модуляция

4.4 Принцип формирования однополосного сигнала

4.5 Модуляция двоичными сигналами (манипуляция)

5. Классы излучений, используемые в морской подвижной службе

6. Передача непрерывных сигналов цифровым способом

7. Модемы в сетях компьютерной связи

8. Фидеры, двухпроводные линии, антенны

8.1 Фидеры

8.2 Двухпроводная линия

8.3 Антенны

8.3.1 Излучение антенной электромагнитной энергии

8.3.2 Настройка антенны в резонанс напряжений

8.3.3 Классификация и типы судовых антенн радиосвязи

9. Радиочастоты и частотные диапазоны

10. Распространение радиоволн различных частотных диапазонов

11. Радиотехнические устройства

11.1 Электрические фильтры (частотные)

11.2 Усилители

11.3 Генераторы

11.4 Выпрямители

11.5 Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств

11.6 Источники электропитания

12. Принцип построения и характеристики приемо-передающей аппаратуры

12.1 Радиопередающие устройства

12.2 Основные характеристики радиопередающих устройств

12.3 Радиоприемные устройства

13. Требования Российского Морского регистра к антенным устройствам и заземления ям Литература Пояснительная записка Широко распространенные на морском флоте различные радиотехнические системы (РТС) предназначены для:

— охраны человеческой жизни на море и обеспечения безопасности мореплавания,

— управления работой флота,

— передачи общественной и частной корреспонденции.

Для эффективного использования РТС необходимо знать принципы их построения, технические характеристики и особенности эксплуатации.

Цель учебного пособия «Радиотехника» является изучение основ радиотехники, достаточных для понимания принципов функционирования радиотехнических систем, эксплуатируемых на морском флоте.

Пособие написано с учетом положений Международной морской организации (ИМО) и национальных требований к теоретической подготовке специалистов, претендующих на получение диплома радиоспециалиста Глобальной морской системы связи при бедствии и для обеспечения безопасности мореплавания.

1. Принципы функционирования радиотехнических систем

1.1 Основные понятия и определения Теоретической базой построения радиотехнических систем (РТС) является радиотехника.

Радиотехника — область науки и техники, изучающая проблемы передачи и получения информации с помощью радиоволн.

Информацией называется сведения об окружающем мире.

Материальным носителем информации является сообщение (текст, рисунок).

Сообщения передаются при помощи сигналов, распространяющихся в пространстве и во времени -_звуковых волн, электромагнитных волн, тока, напряжения. Для формирования передачи и приема сигналов используют специальные технические средства — системы связи. В РТС информация передается с помощью радиоволн (электромагнитных полей).

Радиоволны представляют собой электромагнитные колебания с частотами

3 103 — 3 1012 Гц. Электромагнитные колебания в околоземном пространстве распространяются со скоростью света c=3 108 м/с. При распространении электромагнитных волн в каждой точке пространства происходят периодически повторяющиеся изменения электрического и магнитного полей.

Характеристиками электромагнитного поля являются напряженность электрического поля — Е и напряженность магнитного поля — Н.

Математически электромагнитные волны описываются гармоническими функциями:

E = EM cos (2vt +)

H = HM cos (2vt +)

где:

Ем — амплитуда колебания вектора напряженности электрического поля, Нм — амплитуда колебания вектора напряженности магнитного поля,

vчастота колебании электромагнитного поля,

t — время,

— начальная фаза.

Основной характеристикой радиоволн является частота, которая измеряется в герцах. 1 Гц. — одно колебание в секунду. В РТС для измерения частоты используются кратные единицы:

1 кГц=103Гц,

1МГц=106Гц,

1 ГГц=109Гц.

Зная частоту, можно определить период электромагнитного колебания по формуле:

T= l/v (измеряется в секундах).

Длина волны = сТ = с/v.(измеряется в метрах).

1.2 Получение гармонических колебаний Важнейшими составными частями радиотехнических устройств являются колебательные контуры, в которых возбуждаются переменные токи высоких частот.

Колебательным контуром называется замкнутая электрическая цепь, состоящая из индуктивности L (катушки индуктивности) и емкости C (конденсатора).

Реальный колебательный контур кроме емкости и индуктивности имеет еще активное сопротивление R, которое распределено главным образом в катушке индуктивности, а также в соединительных проводах и отчасти в конденсаторе.

Для получения гармонических колебаний необходимо зарядить конденсатор для чего следует подключить его к источнику постоянного напряжения. Заряженный конденсатор является источником электрической энергии (между его обкладками образуется электрическое поле). При подключении заряженного конденсатора к катушке индуктивности появляется электрический ток, который создает магнитное поле, сосредоточенное в катушке индуктивности. Конденсатор при этом разряжается, энергия электрического поля конденсатора переходит в энергию магнитного поля катушки. При этом ток в контуре достигает максимального значения. Далее роль источника играет катушка индуктивности, которая перезаряжает конденсатор. Когда энергия возвратиться в конденсатор, он снова начнет разряжаться на катушку индуктивности, но теперь ток в ней будет притекать в обратном направлении. Таким образом, в контуре будет происходить колебательный процесс обмена энергии между электрическим полем конденсатора и магнитным полем катушки. При этом ток в контуре и напряжение на конденсаторе изменяются по гармоническому закону.

Уравнения гармонических колебаний имеет вид:

ik = Iм cos2v0 t

uc = Uм cos (2v0 t + /2) где v0 — собственная частота контура.

Колебания, происходящие в контуре при отсутствии постороннего источника питания, называются свободными. Свободные колебания являются затухающими из-за потерь энергии на активном сопротивлении контура. В радиотехнике для осуществления радиосвязи нужны незатухающие гармонические колебания. Для получения незатухающих гармонических колебаний необходимо подключить к контуру источник (для восполнения потерь энергии на активном сопротивлении, чтобы общее количество энергии оставалось неизменным).

1.3Параметры колебательного контура

v0 = ½ — собственная частота контура, зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора.

Т0 = 2 — период собственных колебаний.

Zв = - волновое сопротивление контура.

л0 = СТ0 = 3· 108 2 — собственная длина волны контура, где С — скорость света С = 3· 108 м/с.

Для оценки качества контура введен параметр Q — затухание.

Q = Zв /R = 2vо L/R

Добротность 2vо L /R контура показывает во сколько раз напряжение на катушке и конденсаторе при резонансе больше приложенного к контуру.

1.4 Последовательный колебательный контур. Резонанс напряжений В последовательном колебательном контуре (Рис. а) катушка и конденсатор соединены последовательно. Индуктивность L и емкость С оказывают переменному току реактивные сопротивления:

ХL = 2vист L — индуктивное сопротивление, Хс = ½vист С — емкостное сопротивление.

Х_L, Х_с Х_L

v_о v_ист

Х_с

Рис. 1. Графики зависимости индуктивного и емкостного сопротивлений от частоты напряжения источника.

Полное сопротивление контура определяется по формуле:

При некоторой частоте источника, индуктивное сопротивление равно емкостному:

ХL = Хс 2vист L = ½vист С, откуда

vист = ½ = v0

Zр = R, т. е. имеет минимальное значение.

Iр = U/Rр будет иметь максимальное значение.

vист = v0 — условие резонанса напряжений Важное для радиотехники свойство колебательного контура состоит в том, что при резонансе переменное напряжение на конденсаторе и катушки индуктивности может во много раз превышать приложенное к контуру напряжение.

ULрез = Ucрез = QU

Т.е. колебательный контур можно рассматривать как усилитель напряжения.

Применение резонанса напряжений:

— в антеннах приемников и передатчиков,

— во входных цепях приемников.

Кроме того последовательные колебательные контуры в режиме резонанса напряжений используются в качестве электрических фильтров.

Рис. 2. Колебательные контуры.

1.5 Параллельный колебательный контур. Резонанс токов В параллельном колебательном контуре (Рис. б) источник э.д.с, катушка и конденсатор соединены параллельно. Обе ветви колебательного контура находятся под одним и тем же напряжением U. Токи в ветвях протекают в противоположных направлениях. Подбором емкости и индуктивности можно добиться такого состояния, при котором ток, протекающий через источник, будет иметь минимальное значение и по фазе совпадать с приложенным напряжением.

общ = Ic + Ia + Ip = Ia

В момент резонанса контур оказывает генератору наибольшее и при том чисто активное сопротивление, превышает сопротивление контура R в тысячи раз и не связано с расходом энергии на тепло.

Roe = L/RC = QXL? где Q — добротность контура.

Условие резонанса токов:

vист = vо

Сила тока в параллельном контуре в Q раз больше, чем сила общего тока, протекающего через генератор.

Iк = QIоб В схемах радиоаппаратуры практически необходимо, чтобы на контуре создавалось значительное напряжение. Для этого он должен обладать достаточно большим сопротивлением, что и обеспечивается резонансом токов.

Применение резонанса токов.

1. Параллельный колебательный контур используется в схемах автогенераторов для получения гармонических колебаний высоких частот. Автогенераторы входят в состав возбудителей передатчиков, в которых формируются все несущие частоты.

2. Параллельный колебательный контур входит в состав:

— резонансных усилителей передатчиков,

— гетеродинов (маломощных автогенераторов) супергетеродинных приемников,

— используется в качестве электрических фильтров.

2. Классификация радиотехнических систем В зависимости от назначения РТС делятся на группы.

Рис. 3. Классификация РТС.

2.1 Преобразование сигналов в РТС Под радиосвязью понимают обмен информации с помощью электромагнитных волн. Структурная схема радиосвязи показана на рисунке 2. Источник информации (оператор взаимодействует с системой связи с помощью устройств ввода информации — передающего терминала Tпд, в качестве которого могут использоваться: микрофон телефонного аппарата, клавиатура компьютера и др.

Устройство ввода преобразует сообщение (речь, текст) в электрические сигналы низких частот (20 — 20 000Гц.). Передача этих сигналов может осуществляться по физическим линиям связи — соединительным проводам. Примером подобного рода систем электросвязи является городская телефонная связь, система связи между несколькими ЭВМ, находящимися в одном здании и др. Передача информации на подвижные объекты (суда, самолеты) осуществляется с помощью радиоволн, распространяющихся в околоземном пространстве. Распространение радиоволн на большие расстояния возможно только на высоких частотах для передачи информации на большие расстояния, наз. несущими, вырабатываются с помощью генератора радиочастоты (ГРЧ).

РПД WAпд

Среда распрос

транения.

WAпм Рис. 4. Структурная схема системы радиосвязи Тпд — передающий терминал, РПД — радиопередатчик,

РПМ — радиоприемник, УРЧ — усилитель радиочастоты, УЗЧ — усилитель звуковой частоты, М — модулятор, ГРЧ — генератор радиочастоты, ИП — источник питания, Д-детектор ИУ — избирательное устройство Т пр — приемный терминал

WAnдпередающая антенна WAпм — приемная антенна.

Для того, чтобы несущее колебание содержало передаваемую информацию, необходимо наложить низкочастотный сигнал на высокочастотное колебание. Этот процесс называется модуляцией и выполняется модулятором передатчика (М), который выдает высокочастотные модулированные колебания. Используют амплитудную, частотную и фазовую модуляции.

Для увеличения дальности действия системы радиосвязи (в диапазоне коротких и средних волн) высокочастотные модулированные колебания усиливают усилителем радиочастоты (УРЧ) и передаются на передающую антенну WAпд[ Передающая антенна преобразует электрические сигналы в электромагнитные поля (радиоволны), которые распространяются в околоземном пространстве со скоростью света. Среда распространения радиоволн образует канал связи (КС). Для получения информации необходимо осуществить обратные преобразования: прием электромагнитных волн и их преобразование в радиосигналы с помощью антенны WAnм, усиление этих сигналов с помощью усилителя радиочастоты (УРЧ), выделение низкочастотного сигнала из высокочастотного модулированного с помощью детектора (демодулятора (Д), усиление низкочастотного сигнала усилителем низких частот (УНЧ).Для восприятия сообщения приемником информации используют устройства вывода (приемный терминал — Тпр.) — динамик, печатающее устройство, дисплей или принтер ЭВМ, которые преобразует электрические сигналы в сообщение, воспринимаемое оператором (звук, печатные знаки). Для предотвращения приема сигналов от других станций используется избирательное устройство (ИУ), осуществляющее частотную селекцию (выделение) сигнала выбранной несущей частоты. Избирательное устройство представляет собой систему связанных послеовательных колебательных контуров, работающих в режиме резонанса напряжений. Условием резонанса напряжений является равенство несущей частоты высокочастотного сигнала и частоты собственных колебаний связанных контуров (vпд. = vnм.). Функционирование перечисленных устройств обеспечивает источник питания (ИП).

Рассмотренная система связи позволяет передавать сообщение в одном направлении — от передатчика к приемнику. Для обмена информацией в обоих направлениях необходимо дополнить систему вторым комплектом оборудования. В этом случае РПД и РПМ конструктивно выполняются в виде единого устройства, способного работать в режиме передачи и приема. Такое устройство называется радиостанцией. В радиостанции модулятор и демодулятор выполняют в виде единого блока, который называют модемом. Модемы применяют и в проводной связи для обмена информацией между персональными компьютерами с помощью телефонной сети. Аналогично Тпд. и Тпм. конструктивно объединяют в одно устройство, называемое оконечным оборудованием данных — OОД (Date Terminal Equipment — DTE), или терминалом. Режим, при котором передача и прием осуществляются поочередно на одной несущей радиочастоте (одном канале), называется симплексным. Режим, при котором возможна одновременная передача информации в обоих направлениях при наличии в линии связи двух каналов, называется дуплексным.

Контрольные вопросы Радиоволны, основные параметры.

Классификация РТС.

Структурная схема системы радиосвязи, назначение основных блоков.

Помехоустойчивость, показатели помехоустойчивости при приеме не — прерывных и дискретных сигналов.

3. СИГНАЛЫ В РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

3.1 Классификация сигналов Под сигналами понимают изменяющиеся во времени электрический ток или напряжение. Сигналы, отражающие передаваемое сообщение, могут быть непрерывными или дискретными. Непрерывными называются сигналы, принимающие любые значения в пределах заданного диапазона времени (например, на выходе микрофона).

Рис. 5. Форма непрерывного сигнала.

Дискретными называются сигналы, принимающие в заданные моменты времени одно из нескольких разрешенных значений. Для простоты технической реализации и универсальности систем передачи информации, способных передавать различные сообщения, число используемых сигналов принимают равным двум. Для удобства анализа их обозначают цифрами «1» и «О». Символу «1» соответствует высокий уровень напряжения прямоугольной формы длительностью t0, символу «О» -низкий (нулевой) уровень напряжения той же длительности или импульс напряжения отрицателной полярности. Такие сигналы называются цифровыми или двоичным.

«1» t0 «0»

t0 или

t0 «0» t0

Рис. 6. Форма цифровых сигналов Для отображения знаков алфавита с помощью набора «1» и «0» используются специальные коды, с помощью которых каждый знак алфавита представляется двоичным числом или кодовой комбинацией. Кодирование и декодирование информации осуществляется в терминале. Системы, предназначенные для передачи непрерывных сигналов, называются непрерывными или аналоговыми, а системы, предназначенные для передачи дискретных сигналов — дискретными или цифровыми. Непрерывные сигналы во временной области характеризуются динамическим диапазоном — областью, в пределах которой изменяется значение сигнала, и полосой занимаемых частот.

Цифровые сигналы характеризуются длительностью t0 или скоростью передачи сигнала V — числом сигналов, передаваемых в единицу времени. Эта величина измеряется в Бодах (1 Бод равен двоичному сигналу в секунду): V (Бод) = 1/t0. Для передачи двоичных сигналов также требуется некоторая полоса частот, зависящая от скорости передачи.

Любой непрерывный сигнал может быть представлен в виде цифрового с помощью процедур дискретизации по времени, квантования по уровням сигнала и кодирования (соответствующее устройство преобразования называют аналого-цифровым преобразователем — АЦП) и передан по цифровой системе передач. Обратная процедура восстановления непрерывного сигнала из дискретного реализуется с помощью цифро-аналогового преобразователя — ЦАП.

3.2 Элементы кодирования в теории информации. Коды, используемые в радиосвязи Кодом называется таблица, в которой каждому знаку алфавита, ставится в соответствие набор двоичных элементов (их условно обозначают «1» или «0» — кодовая комбинация. При технической реализации системы передачи цифровой информации элементам кода «1» и «0» соответствуют два различных сигнала: прямоугольный импульс положительного напряжении длительностью t0 секунд и импульс отрицательного напряжения (или пуаза) той же длительности. Различают равномерные и неравномерные коды. Примером неравномерного кода является код Морзе. Знаки алфавита кода Морзе имеют разную длину, причем часто встречающимся знакам соответствуют короткие кодовые комбинации, редко встречающимся — более длинные. Такая структура кода обеспечивает экономию времени, но неудобна при автоматическом приеме с помощью специальных технических устройств.

В существующих устройствах автоматического приема и регистрации дискретных сообщений (буквопечатающие телеграфные аппараты, принтеры или дисплеи ПК) используются равномерные коды, в которых каждая кодовая комбинация содержит одинаковое число элементов k, называемое длиной кодовой комбинации. Каждый двоичный элемент кодовой комбинации («1» или «0») содержит определенное количество информации, равное 1 биту. Скорость передачи информации измеряется в значениях бит/с. При длительности сигнала t0 скорость передачи информации составит В = 1/t0, бит секунду Например, при t0 = 10 мc В= 100, бит/c. При передаче информационных сигналов 1 бит/с численно равен 1 боду. Уровни напряжений, соответствующих «1» и «0», и скорость передачи являются характеристиками цифровых сигналов.

3.2.1 Код Бодо (Международный телеграфный код N2 — МТК-2)

В настоящее время создана и функционирует Международная телеграфная сеть для передачи буквенно-цифровых сообщений (телекс). В качестве оконечных устройств ввода-вывода сообшений в телеграфной сети используются телеграфные буквопечатающие аппараты (ТА). Код Бодо является 5-элементным, т. е. с его помощью можно создавать 25 = 32 кодовые комбинации.

+U

t

t0 t0 t0 t0 t0

— U

Рис. 7. Кодовая комбинация кода МТК-2.

Для расширения возможностей кода используются специальные комбинации, называемые буквенными регистрами (латинские и русские буквы в телеграфных аппаратах для сообщений на русском языке) и цифровые регистры. В результате одна и та же кодовая комбинация используется для формирования знаков русского, латинского алфавитов или цифр в зависимости от выбранного регистра.

3.2.2 Код ASCII (American Standard Code for Information Interchange)

Американский стандартный код для обмена информацией используется в современных ЭВМ, персональных компьютерах и состоит из семи информационных элементов. Семь информационных элементов создают 27 =128 кодовых комбинаций, что позволяет закодировать цифровые знаки, латинские строчные и прописные алфавитные знаки, а также ряд дополнительных графических символов. Так как обмен данными в ПК осуществляется кодовыми словами — байтами (1байт = 8 бит), то оставшийся 8 -й бит может использоваться для различных служебных целей: дл обнаружения в принятом байте ошибки путем проверки на четность или увеличения числа знаков, что позволяет создавать специальные символы национального алфавита (символы ASCII-кода с номерами от 128 до 255).

3.3 Принцип построения кодов с обнаружением ошибок Коды МТК-2 и ASCII, используемые для передачи дискретной информации, не способны автоматически обнаруживать возникающие из-за помех ошибки. Для устранения ошибок в современных системах связи используются помехоустойчивые коды, способные обнаруживать или исправлять ошибки. Для обнаружения ошибок увеличивают длину кодовой комбинации, добавляя к информационным элементам проверочные, которые формируют по определенным правилам. На приемной стороне принятая кодовая комбинация обрабатывается для проверки принятого правила. Нарушение правила кодообразования свидетельствует о наличии ошибки в принятой кодовой комбинации. Наиболее простым кодом, способным обнаруживать ошибки, является код с четным числом «1». Для получения такого кода к исходной комбинации добавляют один элемент «1» так, чтобы суммарное число единиц оказалось четным. Специальное устройство в приемнике, подсчитав число единиц и обнаружив ошибку, забракует эту комбинацию. Аналогичным образом можно построить код с нечетным числом единиц. Однако этот код не способен исправлять ошибки (необходима повторная передача кодовой комбинации) и не обнаружит в кодовой комбинации двух ошибок. Для обнаружения двух и более ошибок и для автоматического их исправления используются более сложные коды. В морской радиосвязи используется семиэлементный код 3:4, в котором каждая кодовая комбинация имеет три «1» и четыре «0». (Например, 1 001 100, 1 101 000). Из общего числа семиэлементных кодовых комбинаций 27= 128 такому правилу соответствует 35 комбинаций. На приемной стороне специальное устройство «проверяет» соотношение 3:4, и если оно не выполняется, комбинация бракуется. Для получения верной информации используются различные методы: автоматический запрос повторения, двукратное дублирование кодовой комбинации. Код 3:4 используется в системе радиотелекса, который является составной частью ГМССБ.

Контрольные вопросы Непрерывный и цифровой сигналы: определение, графики, использование в оборудовании радиосвязи.

Определение кода, назначение кодирования, равномерные, неравномерные коды .

Единицы измерения количества информации и скорости передачи информации при передаче дискретных сообщений.

Коды Бодо (МТК-2) и ASCII.

Принцип обнаружения ошибок помехоустойчивыми кодами.

4. Модуляция Спектры сигналов, вырабатываемых терминалами (микрофонами, буквопечатающими ТА, ЭВМ) лежат в области низких частот (НЧ — LF). Спектр звуковых сигналов, воспринимаемых человеком, содержит гармонические составляющие от 20 до 20 000 Гц. Однако амплитуды гармонических составляющих на верхнем и нижнем участках частот пренебрежимо малы по сравнению с амплитудами частот в середине частотного диапазона. Поэтому без ущерба для разборчивости речи диапазон звуковых частот в телефонных сетях ограничивают полосой 300 — 3400 Гц. (в США 300 -3300 Гц.). В морской радиосвязи в соответствии с требованиями Регламента радиосвязи в КВ-диапазоне верхняя частота телефонного сигнала не должна превышать 3000 Гц. Ток низких частот свободно распространяется по проводникам (физическим проводам), но излучение и прием электромагнитных волн на НЧ чрезвычайно затруднен. Дальность радиосвязи зависит от энергии электромагнитного поля, а энергия электромагнитного поля пропорциональна квадрату частоты. Поэтому для передачи информации на большие расстояния необходимо перенести спектр низкочастотного сигнала в область высоких частот (радиочастот). Этот перенос спектра называют модуляцией., осуществляемой с помощью модулятора.

im = IM0 cos2v0t, где:

1м0 — амплитуда высокочастотного несущего колебания;

v0 — частота высокочастотного колебания (несущая частота в антенне);

2nvot — фаза высокочастотного колебания.

В соответствии с параметрами гармонического колебания различают амплитудную, частотную и фазовую модуляцию.

4.1 Амплитудная модуляция (AM)

Рассмотрим простейший случай AM колебания, когда модулирующим сигналом является гармоническое колебание частотой Fo — модуляция одним тоном. При отсутствии модуляции амплитуда 1М0 остается постоянной, мгновенное значение тока в антенне передатчика:

im = IM0 cos2v0t

При наличии модуляции амплитуда колебаний тока высокой частоты изменяется по закону колебаний звуковой модулирующей частоты и может быть определена по формуле:

Iм = Iм0 (1 +mcos2Ft), где:

m — коэффициент модуляции, показывает степень изменения амплитуды колебаний F — звуковая (модулирующая) частота;

IM — амплитуда высокочастотного модулированного тока;

Мгновенное значение высокочастотного модулированного тока, протекающего по антенне передатчика:

iвч, ам = IM0 cos2v0t +Iм0 m/2 cos2(v0 — F) t +Iм0 m/2 cos2(v0 + F) t

Это уравнение показывает, что колебания высокой частоты, модулированные звуковой частотой, представляет собой сему трех простых высокочастотных колебаний:

— колебания с частотой v0 и амплитудой Iмo;

— колебания с частотой (v0 — F) и амплитудой m/2· IM0;

— колебания с частотой (0 + F) и амплитудой m/2· IM0

Спектральная диаграмма высокочастотного модулированного тока имеет вид:

I Iмo

Iм0 m/2 Iм0 m/2

v0+F v0 v0+F v

Рис. 8. Спектральная диаграмма ВЧ тока, модулированного гармоническим сигналом с частотой F.

На практике модуляция осуществляется речью или музыкой, т. е. целым спектром колебаний звуковых частот от F мин до F макс. Колебания высокой частоты, модулированные спектром низких частот, можно рассматривать как сумму целого ряда простых синусоидальных колебаний высокой частоты. Боковые частоты модулированных колебаний расположены симметрично относительно несущей и образуют две боковые полосы частот. Верхняя боковая полоса занимает интервал частот от

v0 + Fмин до v0 + Fмакс, нижняя — от v0 — Fмин до v0 — Fмакс.

Ширина спектра излучения передатчика равна разности верхней и нижней частот излучения

v = (v0 + Fмакс) — (v0 — Fмакс) = 2Fмакс = 2· 3000 = 6000 Гц.

I НБП (LSB) I0 ВБП (USB)

vo — FмаксFмин vo+Fмин vo + F макс

v0 v

Рис. 9. Спектральная диаграмма амплитудно-модулированного сигнала.

Информация об управляющем сигнале содержится только в каждой боковой полосе. Несущая частота полезной информации не несет. Следовательно, для передачи информации вполне достаточно излучать только одну боковую полосу, восстанавливая несущую в месте приема информации. Такая передача называется однополосной боковой передачей — ОБП (с помощью маломощного генератора).

При однополосной передаче в одном и том же частотном диапазоне можно разместить в два раза больше радиостанций. Другим преимуществом ОБП является увеличение мощности излучения передатчика. К недостаткам однополосной модуляции относится большая сложность формирования сигнала по сравнению с АМ и потому большая стоимость передатчика. Кроме того, при однополосной телефонии к стабильности частот передатчика и приемника предъявляются более высокие требования.

4.2 Частотная модуляция При частотной модуляции (ЧМ) модулирующие колебания звуковой частоты (F) изменяют частоту высокочастотных колебаний v, а амплитуда ВЧ колебаний остается постоянной. Увеличение звукового напряжения в положительный полупериод приводит к росту частоты ВЧ колебания, уменьшение его в отрицательный полупериод — к уменьшению. Эффект модуляции при ЧМ оценивается по наибольшему отклонению частоты от несущего значения. Это отклонение называется девиацией частоты и обозначается v = v макс. — v0. Отношение наибольшего отклонения частоты к модулирующей частоте называется индексом частотной модуляции M чм :

М чм = v / F

Для реализации преимуществ частотной модуляции величину М чм выбирают на много меньше единицы. В отличие от АМ колебаний частотно-модулированное колебание состоит из бесконечного ряда частот:

v0 ± F; v0 ± 2 °F; v0 ± 3 °F; и т. д.

Различают узко — и широкополосную частотную модуляции. Если индекс модуляции мал (узкополосная ЧМ), то с увеличением порядка боковой частоты ее амплитуда резко уменьшается и спектр с практически ощутимыми амплитудами боковых частот оказывается узким. Если индекс велик (широкополосная модуляция), то спектр модулированного колебания значительно расширяется.

Узкополосная ЧМ имеет ширину спектра, не превышающую удвоенную при амплитудной:

v = 2· 6000 = 12 000 Гц.

применяется для служебной радиотелефонии.

Широкополосная ЧМ применяется при высококачественном радиовещании (в каналах звукового сопровождения телевизионных передач). Из-за ширины спектра широкополосная частотная модуляция используется лишь в диапазоне УКВ.

4.3 Фазовая модуляции При фазовой модуляции колебание звуковой частоты F изменяют фазу высокочастотных колебаний, амплитуда остается неизменной. Увеличение звукового напряжения в положительную часть периода приводит к сдвигу фазы в сторону опережения, а уменьшение этого напряжения в отрицательную часть периода — к сдвигу фазы в сторону отставания.

Частотная модуляция обладает большей помехоустойчивостью по сравнению с амплитудной. Это объясняется тем, что следствием помех на входе приемного устройства является случайное изменение амплитуды, т. е. искажение информационного параметра. При ЧМ влияние помех на амплитуду сигналов не приводит к изменению информационного параметра — частоты. Наибольшей помехоустойчивостью обладают фазомодулированные сигналы, однако, техническая реализация фазовых модуляторов наиболее сложная. Для восстановления низкочастотного сигнала в приемном устройстве осуществляется обратное преобразование — демодуляция (детектирование).

Рис. 10. Амплитудная модуляция при воздействии на микрофон звуковым колебанием одной частоты.

Рис. 11(а). Частотная модуляция. Рис. 11(б). Фазовая модуляция.

4.4 Принцип формирования однополосного сигнала Получить однополосный сигнал из амплитудно-модулированного можно путем многоступенчатого постепенного переноса спектра звуковых колебаний в область более высоких частот.

Из теории известно, что боковое колебание амплитудно-модулированного сигнала представляет собой звуковой сигнал, частота которого увеличена на частоту несущего колебания.

Iвб = Iм0 m/2 cos2(v0 + F) t

Колебания, полученные от микрофона или генератора, смешиваются в первом смесителе с колебаниями первой поднесущей частоты v1. Частота эта сравнительно низкая (100 — 300 кГц). На выходе смесителя получают колебания суммарной (верхней боковой) частоты, отличающейся от частоты поднесущей на десятые доли процента. С помощью фильтра оделяется нужное колебание от поднесущей и возникающих побочных комбинационных частот.

После первой ступени преобразования операция переноса частот повторяется. При этом вторая поднесущая частота выбирается так, чтобы на выходе фильтра Ф2 получилась нужная рабочая частота.

F v1±F v1+F v2± (v1+F) v2 +v1+F

Рис. 12. Формирование однополосного сигнала.

При высоких требованиях к степени подавления несущей применяется трех — и четырехкратное преобразование частоты. Поднесущие частоты получают в синтезаторе частот © из опорной кварцевой частоты.

Анализ спектра амплитудно-модулированного сигнала показывает, что информация о передаваемом сигнале содержится в каждой боковой полосе в равной степени. Несущая частота н0 известна на передающей стороне (частота настройки передатчика) и не содержит информацию о передаваемом сигнале. Следовательно, для передачи информации достаточно излучать одну боковую полосу частот, восстанавливая несущую в месте приема с помощью маломощного генератора. Такая передача называется однополосной боковой передачей (ОБП).

Расчеты показывают, что даже при максимальном коэффициенте модуляции

m = 1 мощность боковой полосы амплитудно-модулированного сигнала не превышает 25% от мощности несущей, т. е. основная доля мощности приходится на несущее колебание.

В радиопередатчике однополосный сигнал формируется из обычного амплитудно-модулированного, при этом колебания нерабочей боковой полосы подавляются, колебания несущей частоты подавляются или ослабляются.

При однополосной передаче в два раза уменьшается ширина полосы частот, излучаемых передатчиком, поэтому в выделенном диапазоне частот можно разместить в 2 раза больше радиостанций. Другим преимуществом ОБП является увеличение мощности излучения передатчика. Расход энергии на излучение одной боковой полосы и сужение полосы частот равносильны общему выигрышу мощности в 8 — 16 раз, что дает возможность увеличить дальность действия передатчика.

К недостаткам однополосной модуляции следует отнести большую сложность формирования сигнала и потому большую стоимость передатчика. Кроме того, при однополосной радиотелефонии к стабильности частот передатчика и приемника предъявляются более высокие требования.

4.5 Модуляция двоичными сигналами (манипуляция) При передаче кодированных сообщений управляющие сигналы представляют собой последовательность прямоугольных импульсов и пауз (или импульсов противоположной полярности). В этом случае модулируемый параметр (амплитуда, частота или фаза) принимает одно из двух фиксированных значений. Такую модуляцию называют манипуляцией. Различают амплитудную, частотную и фазовую манипуляции. Манипуляция обладает большей помехоустойчивостью, чем модуляция непрерывными сигналами.

В системах с амплитудной манипуляцией (Amplitude Shift Keying) амплитуда гармонической несущей изменяется в зависимости от того, какой сигнал имеется на входе модулятора: «1» или «0». Например, двоичной единице может соответствовать заданная амплитуда несущей u = Umo cos2рноt, двоичному нулю — нулевая амплитуда — отсутствие колебания, т. е. пауза (Umo = 0). Такие сигналы называют сигналами с пассивной паузой. В процессе распространения сигналы ослабевают, их уровень может быть соизмерим с уровнем помех, поэтому при приеме возникают проблемы, связанные с умением различать амплитуды колебаний. В связи с этим, амплитудная манипуляция имеет низкую помехоустойчивость, т.н. высокую вероятность ошибочной регистрации двоичных сигналов.

В системах с частотной манипуляцией (Frequency Shift Keying) осуществляется изменение частоты несущего гармонического колебания в соответствии с поступившим цифровым сигналом. Например, двоичной единице соответствует более низкая частота, по сравнению с частотой несущей, двоичному нулю — более высокая. Формирование частот осуществляется сдвигом несущей частоты «вверх» или «вниз» на некоторую величину (например, на +/-85 Гц. в диапазоне коротких волн (КВ), или на +/- 400 Гц. в УКВ диапазоне). Частотная манипуляция обладает большей помехоустойчивостью по сравнению с амплитудной, т.к. при частотной манипуляции изменение амплитуды сигнала из-за помех несущественно для правильного приема.

В системах с фазовой манипуляцией (Phase Shift Keying) в зависимости от поступившего двоичного сигнала изменяется фазовый сдвиг гармонического колебания. Для лучшего различения фазоманипулированных сигналов сдвиг фаз между сигналами выбирают максимальным, т. е. равным р (1800). В этом случае

u1 =Umo cos2v0t, u2 = Umo cos (2рн0t + р) = - u1.

Такие сигналы называются противоположными. Спектры манипулированных сигналов по своей структуре не отличаются от спектров модулированных. Они содержат несущую и две боковые полосы.

5. Классы излучений, используемые в морской подвижной службе В настоящее время в ПВ и КВ диапазонах морской радиосвязи используют однополосную амплитудную модуляцию АМ (SSB — Single Side Band) с полной (Full), ослабленной (Reduced) и подавленной (Suppressed) несущей, а в УКВ диапазоне — ЧМ и ФМ.

Класс излучения — это совокупность характеристик излучения в виде установленных условных символов, обозначающих тип модуляции несущего сигнала, характер модулирующего сигнала, тип передаваемых сообщений. Всего в классе излучений три символа.

Первый символ — буква английского алфавита, тип модуляции сигнала несущей частоты.

Излучения, при которых основная несущая модулируется по амплитуде:

Aдвухполосная (Double Side Band — DSB) с полным уровнем несущей;

H — однополосная (Single Side Band — SSB) с полной несущей

R — однополосная с частично подавленной несущей;

J — однополосная с полностью подавленной несущей.

Излучения, при которых несущая имеет угловую модуляцию, обозначаются:

F — частотная модуляция ;

G — фазовая модуляция.

Второй индекс — цифра, обозначающая характер сигнала, модулирующего основную несущую:

0 — отсутствие модулирующего сигнала;

1 — цифровая информация без использования модулирующей поднесущей

2 — цифровая информация с использованием модулирующей поднесущей;

3 — аналоговая информация.

Третий символ — буква, обозначающая тип, передаваемой информации:

А — телеграфия для слухового приема (код Морзе);

В — телеграфия для автоматического приема (буквопечатание — телекс — NBDP);

Е — телефония;

С — факсимиле.

Спектры сигналов для различных классов излучения приведены в следующей таблице.

Нестандартные обозначения классов излучения:

TLX — F1B, SSB — J3Е, AM — A3E, CW — A1A.

Для передачи каждой станции морской подвижной службы отводится определенная полоса частот — присвоенная полоса частот. Присвоенная полоса частот — это полоса частот, в которой разрешено излучение станции. Каждое радиоизлучение требует необходимую ширину полосы частот — ширину полосы частот, достаточную при данном классе излучения для обеспечения передачи сообщений с заданной скоростью и качеством. Присвоенная полоса часто шире необходимой ширины полосы частот радиоизлучения.

6. Передача непрерывных сигналов цифровым способом Интенсивное развитие средств вычислительной техники, внедрение в технику телекоммуникаций персональных компьютеров привело к необходимости передачи непрерывных сигналов цифровыми методами. Это вызвано тем, что цифровые сигналы обладают большей помехоустойчивостью по сравнению с аналоговыми. Для преобразования непрерывного сигнала (рис. а) в цифровой необходимо выполнить три операции:

— дискретизацию непрерывного сигнала по времени (рис. б);

— квантование по уровню (рис. в);

— двоичное кодирование (рис. г).

Суть дискретизации заключается в том, что передача непрерывного сигнала u (t) заменяется передачей сигнала u (t1), u (t2), и т. д. в равноотстоящие моменты времени t1, t2 и т. д. с интервалом Т. Доказано (теорема Котельникова), что, если сигнал имеет спектр максимальная частота которого Fмакс, то интервал между отсчетами Т = ½Fмакс .

Операция квантования заключается в том, что диапазон изменения сигнала от Uмакс. до 0 делится на N уровней с шагом квантования Uмакс./ (N+1). Истинные значения сигнала в моменты отсчета заменяются на ближайший разрешенный уровень сигнала. Для восстановления значения сигнала на приемной стороне достаточно передать номер уровня.

Двоичное кодирование заключается в преобразовании любого из N номеров сигнала в двоичный равномерный код, который передается по линии связи. На приемной стороне осуществляется обратное преобразование цифрового сигнал и аналоговый. Длительность передачи цифрового сигнала t0 = ½Fмакс.n. Например, для цифровой передачи телефонного сигнала принимают Fмакс = 4000 Гц. и N = 256 (n = 8), что соответствует скорости передачи 64 кбит/с. Для уменьшения скорости передачи применяют другие методы преобразования непрерывного сигнала в цифровой.

u

t

t

Рис. 13 (а). Непрерывный сигнал.

U дискр.

t0 2 t0 3t0 4t0 5t0 6t07t0 t

Рис. 13(б). Дискретизация непрерывного сигнала по времени.

U квант

t0 2t0 3t0 4t0 5t0 6t0 7t0 t

Рис.13(в). Квантование по уровню сигнала.

u кодир.

.

00 t

Рис.13(г). Кодирование сигнала.

7. Модемы в сетях компьютерной связи При взаимодействии двух и более персональных компьютеров (ПК) их соединяют между собой — создают локальную вычислительную сеть. Для соединения территориально разнесенных ПК используют телефонные линии связи. При обмене данными между ПК с помощью телефонной сети используют модемы (модем = МОдулятор + ДЕМодулятор). Основная энергия сигналов постоянного тока приходится на «нулевую» частоту, т. е. на постоянную составляющую. Телефонная сеть пропускает сигналы, начиная с частоты 300 Гц. Для преобразования сигналов постоянного тока в гармонические в диапазоне 300 — 3400 Гц используются модуляторы. Например, в режиме частотной модуляции модулятор модема при передаче преобразует сигналы, соответствующие «1» и «0», в гармонические колебания с частотой соответственно 1270 Гц — н1 и 1070 Гц — н2. При одновременном приеме сигналов используют частоты2225 Гц (н3) и 2025 Гц (н4). На входы компьютеров поступают сигналы постоянного тока, которые формируются в демодуляторах модемов. Кроме того модемы позволяют сгладить существенные различия между скоростью передачи данных ПК и сравнительно небольшой скоростью передачи данных в стандартной телефонной линии.

1-н₁ 1-н₁ 0

н 0-н₂ 0-н₂

пп ПППППП

1 1-н₃ 1-н₃

0-н₄ 0-н₄ 1

Рис. 14. Схема локальной вычислительной сети.

Контрольные вопросы

1. Амплитудная, частотная и фазовая манипуляции.

2. Спектры манипулированных сигналов.

3. Преимущества и недостатки частотной и фазовой манипуляций по сравнению с амплитудной.

4. Однополосные сигналы, их преимущества по сравнению с двухполосными.

5. Принцип передачи непрерывных сигналов цифровым способом.

6. Определение класса излучения; характеристики классов излучений, используемых в морской подвижной службе.

7. Нестандартные обозначения классов излучений.

8. Назначение модемов в сетях компьютерной связи.

9. Структурная схема локальной вычислительной сети.

8. Фидеры, двухпроводные линии, антенны

8.1 Фидеры Передающая антенна — устройство для преобразования высокочастотных токов (напряжений) в электромагнитное поле. Приемные антенны выполняют обратные преобразования: электромагнитное поле преобразуют в высокочастотный ток. Соединение антенны с приемником и передатчиком осуществляется с помощью фидера. Фидером называют линию, питающую какое-либо устройство электрической энергией. С помощью фидерных устройств осуществляется передача энергии токов высокой частоты от передатчика к антенне и от антенны к радиоприемнику. В диапазоне кило-, гектои декаметровых волн фидером может служить двухпроводная воздушная линия открытого типа, выполненная из двух параллельных проводов диаметром 2 — 6 мм, между которыми устанавливают распорки-изоляторы, изготовленные из специальной керамики, обладающей малыми потерями.

Для частот выше 30 МГц воздушная линия непригодна, так как значительная часть электрической энергии будет рассеиваться в окружающее пространство, не достигнув потребителя. Поэтому в диапазоне метровых волн в качестве фидера используют радиочастотные кабели.

Изготавливают радиочастотные кабели трех типов.

РК — радиочастотные коаксиальные, которые состоят из внутреннего и внешнего проводников, разделенных между собой диэлектриком из полиэтилена или фторопласта. Снаружи кабель покрыт защитной оболочкой из эластичной пластмассы. Выпускают их с волновым сопротивлением 50, 75 и 100 Ом.

РД — радиочастотные симметричные двухжильные. Токонесущие проводники окружены эластичным диэлектрическим материалом, снаружи заключены в экран из металлических проводников. Экран препятствует излучению электромагнитной энергии. Для защиты от механических повреждений и проникновению влаги кабель снаружи покрыт оболочкой из полихлорвинила, полиэтилена или фторопласта.

РС — радиочастотные кабели со спиральными проводниками.

Наиболее важными электрическими параметрами радиочастотных кабелей являются волновое сопротивление и коэффициент затухания. Волновое сопротивление (Zв) определяется отношением напряжения высокой частоты к вызванному им току в любом сечении кабеля. Волновое сопротивление кабеля зависит только от конструкции кабеля и не зависит от его длины. Коэффициент затухания характеризует потери энергии передаваемого сигнала и выражается в децибелах на метр длины радиочастотного кабеля (Дб/м).

Антенну можно рассматривать как открытый последовательный колебательный контур. В обычном колебательном контуре энергия электрического поля сосредоточена между обкладками конденсатора, а энергия магнитного поля — между витками катушки индуктивности. Для того чтобы «выпустить» электрическое поле наружу, необходимо раздвинуть обкладки конденсатора. Для сохранения значения емкости следует увеличить размеры обкладок. Аналогичным образом создается внешнее магнитное поле. В пределе колебательный контур превращается в два провода.

Рис. 15. Типы фидерных линий

8.2 Двухпроводная линия Каждый отрезок двухпроводной линии обладает некоторой индуктивностью L, и сопротивлением R, между отрезками приводов существует емкость С В двухпроводной бесконечно длинной линии, подключенной к источнику переменного напряжения устанавливаются бегущие волны тока и напряжения:

i х = Iм sin (t — 2рx/л)

uх = U м sin (t — 2рx/л) В режиме бегущих волн вся энергия потребляется линией.

Сопротивление, которое оказывает двухпроводная линия бегущим волнам тока и напряжения, называется волновым сопротивлением — Z в.

Z в = uх / iх = Uм / I м =

Волновое сопротивление двухпроводной линии зависит от расстояния между проводами, от диаметра проводов, от диэлектрика, который заполняет пространство между проводами и не зависит от длины линии.

В двухпроводной линии электрическое поле сосредоточено между проводами. Если раздвинуть концы отрезка такой линии, область пространства, захваченного линиями напряженности электрического поля, будет наибольшей, если провода линии окажутся на одной прямой. Токи в проводах в каждый момент времени будут протекать в одном направлении, значит, магнитные поля токов будут складываться.

i

Шг Е ГГ Е

i

Рис. 16. Электрическое поле конденсатора.

В разомкнутой на конце двухпроводной линии происходит отражение волны тока и напряжения. В результате сложения падающей и отраженной волн образуются стоячие волны тока и напряжения. При наличии стоячей волны переноса энергии вдоль линии не происходит.

Сопротивление линии и присоединенной к ней нагрузки для генератора гармонических колебаний называется входным сопротивлением. Оно равно отношению амплитуды напряжения к амплитуде тока в месте подключения генератора к линии.

Z в = Uм / Iм Входное сопротивление линии зависит от длины линии и подключенной к ней нагрузки Zн.

Если линия нагружена на активное сопротивление R н, равное волновому сопротивлению линии Zв.

R н = Z в, вдоль линии от генератора к нагрузке распространяются бегущие волны тока и напряжения, обратной волны нет, входное сопротивление равно волновому, по характеру активно и не зависит от длины линии; вся подводимая к нагрузке мощность поглощается.

Z вх = Uм / Iм = R н = Z в Линия, нагруженная на активное сопротивление, равное волновому называется согласованной линией.

8.3 Антенны

8.3.1 Излучение антенной электромагнитной энергии Антенну можно рассматривать как открытый колебательный контур (последовательный), как цепь с распределенными параметрами, в которой индуктивность и емкость распределены вдоль проводника, имеющего длину, соизмеримую с длиной волны. Для создания электромагнитных волн необходимо подключить сигнал в разрыв между проводами, которые называются вибраторами. Максимальную энергию вибратор излучает при резонансе, когда длина проводника равна половине длины волны — / 2. Такую антенну называют полуволновым диполем или симметричным вибратором. При наличии переменного тока в вибраторе вокруг него имеются изменяющиеся магнитное и электрическое поля, которые можно разделить на два типа:

связанные поля — магнитное поле, вызванное током в вибраторе и сопряженное с этим током, и электрическое поле, обусловленное наличием напряжения между половинами вибратора и связанное с зарядами в вибраторе;

свободные поля — взаимосвязанные электрические и магнитные поля (которые не сопряжены стоком и зарядами вибратора), порождающие друг друга (согласно постулатов Максвелла) и распространяющиеся со скоростью света с = 3 108 м/с.

Если антенна расположена вертикально, электрические силовые линии расположены в вертикальной плоскости, магнитные — в горизонтальной. Радиоволны, излучаемые антенной, называются вертикально поляризованными.