Структурная схема канала передачи информации

Для многих каналов передачи информации характерна структура радио-телеканала, представленная на (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Структурная схема канала передачи информации

Принцип работы системы и назначение устройств, входящих в канал передачи информации рассмотрим начиная с автогенератора.

Автогенератор (АГ) вырабатывает высокостабилизированные по частоте и амплитуде гармонические колебания. От стабильности АГ зависит, на сколько спектр сигнала, несущего сообщение, может частично выходить из полосы пропускания П_0,7. Стабильность АГ тем выше, чем меньше f _АГ – частота АГ. Обычно f _АГ составляет десятки и сотни кГц. Сигнал такой частоты не используется в направленных антенных устройствах излучения А₁ и приема А₂. Для увеличения частоты сигнала до значения n f _АГ применяют нелинейный элемент (см. п.2.7), дающий кратность умножения частоты m = 3…7. При каскадном соединении нелинейных элементов обеспечивается требуемая кратность умножения частоты n:

. (3.1)

Устройство, содержащее нелинейные элементы с целью умножения частоты: f ₀ = n f _АГ, – называется умножителем частоты, структурная схема которого приведена на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Структурная схема умножителя частоты

Если подать на нелинейный элемент достаточно большой по амплитуде гармонический сигнал (см. рис. 2.28), то ток через нелинейный элемент (диод, транзистор и т.п.) будет периодической функцией времени, сильно отличающейся от гармонического закона изменения. Спектр этого тока состоит из гармоник, кратных частоте входного сигнала (например f _АГ): m f _АГ, где m = 1, 2,.... Чем больше значение m, тем меньше амплитуда гармоники. Для выделения из спектра гармоники с частотой m f _АГ используют колебательный контур с высокой добротностью, у которого резонансная частота f _р = m f _АГ. На рис. 3.5 показана АЧХ колебательного контура: ее нормированное значение на боковых частотах не должно превышать 0,1, что исключает проникновение спектральных составляющих с частотами (m – 1) f _АГ и (m+1) f _АГ в следующий каскад умножения; в противном случае в спектре несущего сигнала, поступающего на модулятор – Мод (см. рис. 3.3), появляется побочные составляющие относительно частоты f ₀; эти побочные составляющие будут искажать спектр сигнала сообщения u_c(t), который от преобразователя – Пр неэлектрической физической величины в электрическую через усилитель – У поступает на второй вход модулятора.

Рис. 3.5. Селектирование гармоники с частотой m f _АГ колебательным контуром

С выхода модулятора сигнал через фильтр – Ф, выделяющий полосу спектра модулированного сигнала, поступает на усилитель мощности – УМ, который усиливает сигнал до заданного уровня мощности Р, Вт. Мощность сигнала, как и другие радиотехнические характеристики, входит в выражение дальности действия радиолинии (2.49).

С выхода УМ сигнал поступает на передающую антенну (или по радиочастотному кабелю, оптоволоконной линии – на вход приемника). Коэффициент усиления передающей (приемной) антенны зависит от направления излучения (приема) радиоволн:

(3.2)

где – максимальное значение коэффициента усиления в направлении максимума главного лепестка (рис. 2.23);

(3.3)

нормированная ДН по мощности ();

– ДН по полю, в общем случае комплексная величина;

– комплексно сопряженная ДН по полю.

Если передающая антенна – А₁ и приемная антенна А₂ максимумами главных лепестков направлены друг на друга, то

;

Тогда, без учета затуханий ЭМВ в тропосфере, выражение (2.49) примет вид

. (3.4)

При использовании на передачу и прием одинаковых антенн . Тогда (3.4) примет вид

. (3.5)

Из выражения (3.5) следует, что обеспечивать заданную дальность действия радиолинии связи целесообразно с помощью направленных свойств антенн, а не повышением мощности сигнала.

С выхода приемной антенны А₂ сигнал поступает на вход усилителя высокой частоты – УВЧ, амплитудно-частотная характеристика которого совпадает со спектром принимаемого сигнала. Таким образом, УВЧ совместно с входной избирательной цепью (она на рис. 3.3 не показана) производит селектирование (выделение) сигнала из множества других сигналов в эфире. С выхода УВЧ сигнал поступает на смеситель – СМ. На другой вход смесителя поступает гармонический сигнал с гетеродина. Гетеродин представляет собой маломощный автогенератор, вырабатывающий гармонические колебания частотой f _г. Обычно f _г > f ₀ на величину промежуточной частоты f _пр = f _г – f ₀. Смеситель является нелинейным элементом и при воздействии на него двух сигналов:

; (3.6)

,

ток нелинейного элемента содержит спектральные составляющие с комбинационными частотами подобно выражению (2.60). С помощью фильтра выделяют спектральные составляющие с частотами . Следовательно, амплитудно-частотный спектр модулированного сигнала (3.6) на выходе фильтра будет иметь вид:

. (3.7)

Таким образом, смеситель осуществляет перенос спектра сигнала из области высоких частот в область промежуточных частот, как показано на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Перенос полосы спектра сигнала сообщения из области высоких частот в область промежуточных частот с помощью смесителя и выделения спектра сигнала полосовым фильтром

С понижением частоты сигнала, относительно которого располагается спектральные составляющие, влияние переходных процессов на форму сигнала сообщения уменьшается. Однако, и в этом случае выбор значения f _пр должен исходить из условия (2.46), где вместо f ₀ следует подставить f _пр.

При переходе радиоканала на другую несущую частоту входная избирательная цепь УВЧ и гетеродин синхронно перестраиваются. При этом разность частот остается неизменной:

.

Это позволяет не перестраивать усилитель промежуточной частоты – УПЧ и тем самым добиться согласования его АЧХ амплитудно-частотному и фазо-частотному спектру сигнала на промежуточной частоте.

Перенос спектра сигнала сообщения на промежуточную частоту позволил увеличить коэффициент усиления и тем самым увеличить чувствительность приемника, то есть уменьшить Р_{пр min} (см. (2.49), (3.4) и (3.5)). Увеличение чувствительности приемника увеличивает дальность действия радиоканала в равной мере, как и увеличение мощности сигнала Р_ср на входе передающей антенны А₁ (3.5).

Покажем, что с переносом спектра в область сравнительно низких частот (f _пр << f ₀) предельный коэффициент усиления усилителя увеличивается. На рис. 3.7 изображен усилитель, охваченный обратной связью через «паразитную» емкость монтажа.

Рис. 3.7. Усилитель с обратной связью через «паразитную» емкость

С увеличением U_вых часть мощности сигнала передается через паразитную емкость на вход усилителя. Сопротивление этой связи . Так как спектр сигнала на выходе имеет множество амплитудно-фазовых гармоник, то с увеличением амплитуды сигнала на выходе усилитель обязательно перейдет в режим автогенерации на той частоте f _АГ, для которой выполняется амплитудные и фазовые условия возбуждения (см. Автогенераторы). При понижении частоты сопротивление «паразитной» емкости увеличивается и возбуждение усилителя возможно при большем по амплитуде сигнале на выходе. Следовательно, предельный коэффициент усиления, при котором усилитель еще не возбуждается, увеличивается.

Пусть на выходе усилителя промежуточной частоты сигнал должен иметь мощность Р_вых, при которой в номинальном режиме работает детектор – Д, выделяющий сигнал сообщения u_c(t) (рис. 3.3). Если коэффициент усиления по мощности К_р усилителя увеличился, то мощность сигнала на его выходе уменьшается, то есть увеличивается чувствительность приемника Р_{пр min}. При увеличении мощности сигнала на входе усилителя промежуточной частоты (например, при уменьшении расстояния между антеннами А₁ и А₂) сигнал на выходе по мощности может превысить заданный уровень, что приведет к нарушению нормальной работы детектора и, как следствие, к искажению спектра сигнала сообщения. Для исключения подобного случая необходимо изменять коэффициент усиления в сторону уменьшения, то есть коэффициент усиления должен быть функцией входного сигнала:

K_p = F(P_вх). (3.8)

Функцию (3.8) реализует автоматическая регулировка усиления АРУ.

С выхода детектора сигнал поступает на видеоусилитель – ВУ или усилитель низких частот – УНЧ (в частности усилитель звуковой частоты – УЗЧ). Различие этих усилителей в АЧХ – амплитудно-частотных характеристиках, которые обеспечиваются схемной реализацией. Так, например, в телевизионном канале полоса частот ВУ должна быть не менее 6,5 МГц (f _Н = 0, f _В > 6,5 МГц). Усилители звуковой частоты телевизионного канала звукового сопровождения имеют полосу частот не более 18 кГц (f _Н = 10Гц, f _В = 18 кГц). Оконечные усилители (ВУ, УНЧ, УЗЧ) усиливают сигнал по мощности до уровня нормальной работы оконечного устройства – ОУ, на котором воспроизводится информация в том виде, в каком она поступает на устройство преобразования – Пр (см. рис. 3.3).

Умножители частоты

Умножители частоты представляют собой генератор с внешним возбуждением, колебательный контур которого настроен на частоту, кратную частоте входного сигнала. Так как входной сигнал гармонический, то для обогащения его спектра он испытывает нелинейные преобразования (п.2.7.). При выборе точки покоя на ВАХ в начале координат или левее начала имеет место последовательность импульсов тока, как показано на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Примерный вид последовательности импульсов тока через нелинейный элемент

Половина фазового угла, в пределах которого протекает ток через нелинейный элемент, называется углом отсечки. Итак, на рис. 3.8 – угол отсечки, который зависит как от положения точки покоя П, так и от амплитуды входного сигнала. С увеличением амплитуды входного сигнала в импульсах тока может появиться провал. При использовании в качестве нелинейных элементов транзисторов и электронных усилительных ламп провал вызван появлением обратного тока при больших амплитудах входного сигнала (см. лабораторную работу «Исследование генератора с внешним возбуждением»).

Спектр последовательности импульсов тока через нелинейный элемент

(3.9)

имеет амплитуды гармоник, убывающие с номером гармоник. Постоянная составляющая тока I₀ и амплитуды гармоник зависят от угла отсечки и могут быть вычислены через коэффициенты Берга (А.И.Берг – советский радиофизик, академик АН СССР):

; ; ;…, (3.10)

где I_mи – амплитуда импульса (максимальное значение импульса);

, , , …, – коэффициенты Берга, зависящие от угла отсечки и вычисляемые по следующим формулам:

; (3.11)

, (3.12)

где n = 1, 2, 3,…

На рис. 3.9 приведены графики Берга.

Рис. 3.9. Графики Берга

При выделении контуром n-ой гармоники мощность выделенных колебаний Р_к и коэффициент полезного действия генератора вычисляются по следующим формулам:

; (3.13)

, (3.14)

где Е_К – напряжение источника питания (например, коллекторное напряжение);

Р_И – мощность, затрачиваемая источником питания;

– коэффициент использования напряжения источника питания.

При умножении частоты электрическая энергия, поступаемая в колебательный контур в тормозящую фазу (см. принципы генерирования электромагнитных колебаний) первого периода колебания (рис. 3.10), поддерживает постоянное значение амплитуды сигнала на отрезке времени подачи этой энергии. Затем амплитуда убывает по экспоненциальному закону:

, (3.15)

где , r – сопротивление контура, учитывающее потери энергии в контуре, L – индуктивность колебательного контура.

Рис. 3.10: а – примерный вид напряжения на контуре (на выходе генератора) в режиме умножения частоты n =2; пунктиром показана зависимость затуханий свободных колебаний; б – импульсы тока активного нелинейного элемента (например, транзистора), квадрат площади которых пропорционален электрической энергии, поступающей в контур через период собственных колебаний; импульсы поступают в тормозящую фазу напряжения

Очевидно, что чем меньше значение величины , тем стабильнее по амплитуде будут колебания на выходе умножителя частоты. Потери энергии в контуре учитываются добротностью контура

, (3.16)

где – энергия, запасенная в контуре;

– энергия потерь в контуре за период колебания;

.

.

Интеграл берется по частям:

,

где ;

Подставляя в (3.16) и энергию потерь Е _пот, и учитывая, что добротность контура Q определяется на резонансной частоте , окончательно получаем

, (3.17)

где – волновое сопротивление контура.

Вывода выражения для волнового сопротивления контура можно произвести из равенства энергий запасенных в магнитном поле катушки и электрическом поле конденсатора:

. Откуда , .

Добротность нагруженного контура Q_Н, то есть вычисляемая по определению (114), когда выход генератора с внешним возбуждением подключен к нагрузке, равна:

Q_Н = 150…200, (3.18)

а волновое сопротивление контура

= 50…200 (3.19)

в зависимости от диапазона радиочастот.

При высокой добротности Q_Н, то есть очень малых потерях электрической энергии за один период колебания, амплитуда затухающих колебаний на интервале времени t [0, 7Т] меняется несущественно; и этим фактором, влияющим на амплитудную стабильность умножителя частоты, можно пренебречь.

Другим, существенным фактором, влияющим на стабильность амплитуды колебаний с выхода умножителя частоты, является угол отсечки . Так как импульсы тока поставляют энергию в колебательный контур, то их длительность не должна превышать Т/2, где Т – период колебаний в контуре (см. рис. 3.10). Только в этом случае вся поступающая в контур энергия приходится на тормозящую фазу напряжения (электрического поля) и кинетическая энергия носителей зарядов в активных нелинейных элементах переходит в электрическую энергию колебаний в контуре. Следовательно, с увеличением кратности умножения частоты входного сигнала угол отсечки должен уменьшаться. Уменьшение приведет к уменьшению амплитуды импульса тока I_mи, а это, в свою очередь, приведет к уменьшению амплитуды гармоники на выходе умножителя частоты (3.10). Если угол отсечки не изменять, то импульсы тока будут иметь длительность . Это приведет к существенной амплитудной нестабильности колебаний, так как энергия будет поставляться в контур не только в тормозящую фазу, но и в ускоряющую фазу колебаний. Легко экспериментально убедиться в том, что при происходит срыв колебаний в контуре (лабораторная работа: «Исследование генератора с внешним возбуждением»).

Двухкаскадная схема умножителя частоты входного сигнала показана на рис. 3.11. Первый каскад собран на транзисторе VT1, а второй на транзисторе VT2. Резисторы R_б обеспечивают замыкание контура для протекания тока базы I_б и создают отрицательные смещения на базах своих транзисторов за счет постоянной составляющей тока базы I_б0.

Рис. 3.11. Двухкаскадная схема умножителя частоты

Пример: для обеспечения некоторого угла отсечки необходимо точку покоя П сместить влево от начала координат (см. рис. 3.8) на 0,2 В. Импульсы тока базы i _б(t) следует написать в форме (3.9), где . Тогда R_б = U_бэ0 /I_б0 = 0,2/I_б0. При I_б0 = 30 мкА, R_б = 6,8 кОм.

Усилитель,собранный на транзисторе VT2, предназначен для усиления гармоники частотой f ₀ = m f _АГ до уровня нормальной работы второго каскада умножения. Усилитель должен работать в линейном режиме. Он собран по схеме с фиксированным напряжением на базе и эмиттерной стабилизацией (см. расчет данного усилителя).

Резистор R_э обеспечивает температурную стабилизацию точки покоя. Конденсатор С_э исключает отрицательную обратную связь (ООС) по переменному напряжению; для этого необходимо выполнение следующего условия: Х_сэ << R_э.

Резисторы R_к обеспечивают расчетные значения напряжений между коллектором и эмиттером U_кэ транзисторов.

Емкости фильтров С_ф1 и С_ф2 выбираются из условия развязки каскадов по композиционным частотам, близким к резонансным частотам колебательных контуров f ₀₁ и f ₀₂.

Как уже отмечалось, для увеличения кратности умножения частоты одним каскадом необходимо уменьшать угол отсечки , что приводит к уменьшению амплитуды импульсов I_mи и, следовательно, амплитуды выделяемой контуром гармоники кратной частоты, а это, в свою очередь, ограничивает кратность умножения. Для повышения кратности умножения частоты одним каскадом необходимо в него включить дополнительно два устройства: ограничитель и линейный резистивный усилитель, как показано на рис. 3.12.

Рис. 3.12. Каскад умножителя частоты, включающий ограничитель на транзисторе VT1, линейный усилитель на транзисторе VT2 и генератор с внешним возбуждением на транзисторе VT3

Резистивный усилитель, собранный на VT2, является усилителем с фиксированным током базы, подробный расчет которого дан в следующем разделе. Этот усилитель увеличивает амплитуду импульса, не изменяя угла отсечки , который задается выбором точки покоя П ограничителя, собранного на VT1. Положение точки покоя на входной характеристике транзистора VT1 определяется расчетом резистора R_б1. Подстроечный резистор R_б2 позволяет установить критический режим работы генератора с внешним возбуждением (см. Генератор с внешним возбуждением).

Модуляторы

Модулятором называется радиотехническое устройство, в котором происходит изменение одного из параметров несущего сигнала по закону изменения сигнала сообщения.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: