Формирование передачи и приема сигнала по радио

Радиопередатчик

Для установления связи по радиоканалу необходимо чтобы у каждого корреспондента имелся передатчик и приёмник. Устройство, объединяющее оба этих элементов в одну конструкцию, называется радиостанцией. В зависимости от вида модуляции передатчики имеют следующую структурную схему:

Рисунок - Упрощенная структурная схема радиопередатчика.

1. Усилитель низкой частоты. Предназначен для усиления сигнала от микрофона, радиопередатчика, телефонной линии и т.д. до уровня необходимого для нормальной работы модулятора.

2. Модулятор. Устройство, предназначенное для изменения параметров сигнала высокой частоты по закону изменения информационного сигнала. Представляет собой усилитель низкой (речевой) частоты, выходной сигнал которого, воздействуя на усилитель мощности, изменяет его режим и соответственно уровень выходного сигнала.

3. Задающий генератор. Устройство (совокупность устройств), предназначенное для вырабатывания сигнала несущей частоты с параметрами высокой стабильности и, как правило, с возможностью плавной или дискретной выборкой необходимой частоты. Исполняется на ламповой или полупроводниковой базе. В радиопередатчиках ранних выпусков представляет собой автогенератор на радиолампах с перестройкой частоты с помощью конденсатора переменной ёмкости. В более поздних выпусках применяются цифровые синтезаторы частот.

4. Усилитель мощности. (Выходной усилитель). Устройство, предназначенное для доведения уровня мощности сигнала до значения, обозначенного в технических характеристиках передатчика. В радиопередатчиках мощности более 10 Вт исполняется, как правило, на радиолампах менее 10Вт – на полупроводниках, за исключением радиопередатчиков ранних выпусков.

5. Блок согласования. Устройство, предназначенное для согласования выходных параметров усилителя мощности со входными параметрами антенного устройства. Бывает ручное и автоматическое. Необходимо, т.к. при перестройке радиопередатчика по частоте, смене антенн и изменении внешних параметров среды изменяются и вышеуказанные параметры усилителя мощности и антенных устройств. Представляет собой набор емкостей и индуктивностей с возможностью изменения их значений.

Радиопередатчики с АМ имеют ограниченное применение (Р-130, Р-140) в связи с большой энергоемкостью и низкой помехозащищенностью, но благодаря простоте схемного решения представляют собой хороший учебный материал для усвоения основных принципов радиосвязи.

Основным видом модуляции, применяемой в ВС является ЧМ. Основания для этого были приведены выше в сравнительных характеристиках видов модуляций.

Радиопередатчики с ЧМ имеют достаточно простое схемное решение и, не взирая на то, что в режиме передачи несущая частота излучается постоянно имеют меньшую энергоемкость чем при АМ, т.к. позволили отказаться от модулятора усилителя мощности, энергопотребление которого приблизительно равно мощности самого радиопередатчика.

Назначение блоков принципиально не отличается от блоков радиопередатчика с АМ. Разница заключается в том, что модуляция сигнала осуществляется в изначальном варианте формирования сигнала несущей частоты непосредственно в задающем генераторе или в предварительных каскадах усилителя сигнала высокой частоты. Также используются схемы сложения сигнала задающего генератора с промоделированным сигналом более низкой частоты.

Непосредственно ЧМ реализуется с применением варикапов (диодов, изменяющих свою внутреннюю ёмкость в зависимости от приложенного обратного напряжения), генераторов содержащих реактивную лампу (изменяющую свою ёмкость, в зависимости от режима работы), каскадов усиления, изменяющих свою фазовую характеристику в зависимости от управляющего напряжения и. т. д. Структурная схема передатчика с однополосной модуляцией (SSB) принципиальных отличий от радиопередатчика с ЧМ не имеет, за исключением того что, модуляция происходит по амплитуде и формировании сигнала содержащего одну боковую полосу. Модуляция происходит также в изначальном варианте формирования сигнала несущей частоты.

Требования, предъявляемые к последующим каскадам усиления и формирования сигнала модулированной частоты при SSB достаточно высоки, т.к. информация заложена в изменении амплитуды сигнала. При ЧМ эти требования гораздо ниже т.к. информация заложена изменении частоты несущей и искажении амплитуды и формы сигнала несущей не отражается на качестве передачи информации.

Основными характеристиками радиопередатчика являются:

- “Диапазон рабочих частот”. Полоса частот (кГц, МГц) в которой передатчик способен выполнить своё функциональное назначение.

- “Выходная мощность”. Гарантированная мощность (Вт, кВт) отдаваемая передатчиком в согласованное с ним антенное устройство во всём диапазоне рабочих частот.

- “Потребляемая мощность”. Максимальная мощность (кВт, Вт) потребляемая от источника электропитания радиопередатчиком при максимальной выходной мощности.

Остальные характеристики являются вспомогательными и используются в зависимости от предназначения радиопередатчика.

Сигнал переданный в эфир должен быть принят корреспондентом и обработан до уровня прикладного использования.

Как же работает передатчик?

Общая схема радиосвязи довольно проста: в радиопередатчике специальным генератором формируются электрические колебания высокой частоты, которые затем смешиваются с полезным сигналом (модулируются) и при поступлении в антенну, преобразуются в электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве. Достигнув антенны приемника, электромагнитные волны наводят в ней переменный ток, который усиливается, демодулируется и поступает на устройство воспроизведения.

При изменении электрического поля изменяется магнитное поле, и его энергия может передаваться без проводов. Для того чтобы магнитное поле могло распространиться на большое расстояние, нашему передатчику не хватит мощности. Для дальней радиопередачи нужен мощный генератор переменного тока – устройство, которое бы самостоятельно «включало и выключало» ток или изменяло его полярность. Причем частота колебаний генератора должна быть довольно высокой (например, для средних волн не менее 300 кГц). Чем выше частота генератора, тем меньше энергии будет затрачиваться на передачу и потребуются антенны меньших размеров. Но повышение частоты предъявляет более жесткие требования к элементам радиопередатчика. Нужны более высокочастотные (читай – дорогие) элементы и более стабильный генератор.

Сложность изготовления и настройки элементов и узлов передатчика (и приемника тоже) напрямую зависит от частоты. Больше частота – сложней изготовление и выше стоимость. В свою очередь, отклонение частоты влияет на согласованную работу передатчика и приемника. Например, отклонение частоты средневолнового (300 кГц) передатчика на 1% вызовет изменение частоты на ±3 кГц, что в принципе допустимо. А отклонение на 1% передатчика, работающего на частоте 450 МГц, даст отклонение частоты на ±4.5 МГц. А это по ширине больше длинноволнового, средневолнового и частично коротковолнового диапазонов вместе взятых!

В качестве генератора высокочастотных колебаний на заре радиотехники применялся искровые генераторы, в которых между контактами проскальзывала мощная искра, создающая магнитное поле. В качестве примера подобного устройства можно привести свечу в автомобильном двигателе, которая создает электромагнитное поле при работе, но, к сожалению, эти «радиоволны» не доставляют радости ни владельцам автомобилей, ни владельцам радиоприемников, расположенных поблизости.

Затем в передатчиках стали применять электрическую дугу – непрерывную «искру». «Бытовым» примером которой является электрический сварочный аппарат.

Позднее появились так называемые машинные генераторы, в которых магнитное поле создавалось электродвигателем.

Технология развивалась, и в наши дни полупроводниковые приборы вытеснили искру, генераторы, вакуумные лампы и многое из того, что считалось классическим для своего времени. Но, несмотря на достижения электроники, в современных передатчиках используются те же принципы, что и на заре радио.

Первые радиопередатчики работали в телеграфном режиме, т.е. сообщения передавались точками и тире кода Морзе. Для таких систем было не важно качество сигнала, а было важно его наличие. Довольно просто отличить точку от тире при любом качестве передачи. Все начало усложнятся с появлением голосовой связи. Понадобились новые открытия, и они не замедлили появиться.

Допустим, мы построили генератор высокочастотных колебаний. Что же дальше? Как заставить электромагнитные волны «нести» полезную информацию, в частности наш голос? Еще в 1900 американский инженер Реджинальд Фессенден предложил использовать для этих целей модуляцию.

Давайте рассмотрим этот процесс подробней.

Полезный звуковой сигнал, например голос, представляет собой акустические колебания или звуковые волны. Очевидно, что эти колебания должны быть преобразованы в электрический вид. Мы не будем подробно останавливаться на этом процессе, так как он должен быть всем хорошо известен из школьного курса физики. Для тех, кто забыл, напомним, что преобразование обычно осуществляется с помощью микрофона.

Допустим, мы имеем электрический сигнал звуковой частоты и имеем высокочастотную электромагнитную волну – несущую. То есть у нас есть информация и несущая для ее транспортировки. Как же «нагрузить» электромагнитную волну звуком? Для этого и применяется модуляция.

Модуляция это процесс объединения информационного, в нашем случае звукового сигнала, с частотой генератора. Модуляция определенным образом изменяет форму ВЧ колебаний и бывает нескольких видов. В радиосвязи чаще всего используют амплитудную (АМ) и частотную модуляцию (ЧМ).

Рисунок - Принцип модуляции.

Модулирующий сигнал изменяет либо амплитуду несущей, либо ее частоту. И в том, и в другом случае несущая нагружается полезным сигналом.

Мы заставили электромагнитную волну нести наш голос и в результате получили радиопередатчик.

Рисунок - Упрощенная структурная схема радиопередатчика.

Конечно на практике все намного сложней, ведь еще необходимо усилить сигнал, отфильтровать шумы и помехи, обеспечить возможность перестройки на разные частоты и т.д. А сколько различных сервисных функций в обычной портативной радиостанции или в сотовом телефоне? Это и вызовы конкретных абонентов, и контроль канала или частоты, и индикация режимов работы и т.д. и т.п. Но принцип работы от этого не меняется. Кстати, в современных радиопередатчиках основные режимы управления обычно возложены на одну единственную микросхему – микропроцессор, который заведует функционированием устройства и взаимодействием всех блоков.

Теперь мы можем послать наш голос в окружающее пространство.

Основными функциями передатчика являются: генерация колебаний радиочастоты и управление одним из параметров этих колебаний по закону передаваемого сообщения. Передатчик содержит два тракта – радио-тракт и управляющий тракт

Рисунок.6.1 - Структурная схема передатчика

Радиотракт включает в себя следующие каскады:

– возбудитель или опорный генератор (ОГ), представляющий собой маломощный генератор с самовозбуждением, стабилизированный кварцем, создающий колебание f_r амплитудой U_r;

– буферный каскад (БК), относящийся к классу генераторов с внешним возбуждением и имеющий высокое входное сопротивление для уменьшения влияния последующих каскадов радиотракта на стабильность частоты ОГ;

– умножитель частоты (УЧ), предназначенный для увеличения частоты ОГ в целое число раз N, f_{p =} f_{r +}n, где f_p – рабочая частота передатчика с одновременным увеличением девиации частоты _Δf∂P = _Δf∂ х N при ЧМ;

– промежуточный каскад (ПК), являющийся генератором с внешним возбуждением и обеспечивающий усиление колебаний радиочастоты по напряжению;

– предоконечный каскад (ПКК), являющийся генератором с внешним возбуждением и обеспечивающий предварительное усиление колебаний радиочастоты по мощности;

– оконечный выходной каскад (ВК), являющийся генератором с внешним возбуждением и обеспечивающий заданную мощность колебаний радиочастоты в антенне (AH) передатчика;

– передающую антенну, преобразующую модулированные колебания радиочастоты в радиоволны и излучающую их в пространство.

Структура управляющего тракта зависит от типа передатчика и вида источника сообщений. В служебных радиотелефонных и радиовещательных передатчиках этот тракт, называемый трактом звуковой частоты, включает в себя следующие основные элементы (рис. 6.1):

– микрофон ВМ, обеспечивающий преобразование акустических колебаний в электрический сигнал звуковой частоты;

– усилитель звуковой частоты (УЗЧ1), предназначенный для увеличения амплитуды напряжения звуковой частоты с выхода микрофона;

– усилитель звуковой частоты (УЗЧ2) по мощности;

– модулятор (МД), обеспечивающий процесс управления одним из параметров колебания радиочастоты, в соответствии с колебаниями звуковой частоты.

В передатчиках с ЧМ косвенным способом, которые входят в состав радиостанций служебной радиосвязи, процесс управления частотой осуществляется в буферном каскаде, причем в качестве модулятора чаще всего используется варикап. Корректирующее звено (КЗ), стоящее на входе модулятора МД обеспечивает преобразование ФМ в ЧМ. В использующихся иногда передатчиках с ЧМ прямым способом модулятор подключается непосредственно к частотнозадающему элементу ОГ.

Следует отметить, что радиотракт и тракт звуковой частоты передатчиков реальных радиосистем включает в себя ряд дополнительных элементов, выполняющих специальные функции, они будут рассмотрены при изучении конкретных типов аппаратуры радиосвязи в соответствующих предметах.

К основным электрическим параметрам передатчиков относятся:

– рабочая частота Fp – средняя частота спектра основного излучения, совпадающая с несущей частотой модулированного колебания. Передатчики, имеющие одну Fp, относятся к классу одноканальных передатчиков, несколько Fp – многоканальные. Для последних вводится параметр _ΔFp – диапазон рабочих частот, в пределах которого можно перестраивать передатчик, меняя и оперативно переходя с одного канала на другой;

– относительная нестабильность рабочей частоты (_ΔF /Fp) – характеризует значение относительного отклонения _ΔFp от номинального при воздействии внешних дестабилизирующих факторов и зависит от стабильности частоты ОГ;

– частотный резонанс между соседними каналами (_ΔFСк) – это интервал между смежными рабочими частотами одного многоканального или двух одноканальных передатчиков. По современным нормам в служебных радиосистемах диапазонов СВЧ, УВЧ _ΔFСк = 25 кГц;

– полоса частот основного излучения (_ΔFСк) совпадает с шириной спектра модулированного колебания, которая при АМ _ΔFСАМ = 2Fmax, а при ЧМ – ΔFСЧМ = 2(Fmax + ), где – девиация частоты;

– мощность основного излучения (P_A) – это мощность колебаний радиочастоты, создаваемая в антенне оконечным каскадом передатчика.

Кроме основного, любой передатчик имеет не основные излучения, делящиеся на два вида: внеполосные и побочные;

– мощность внеполосных излучений (P_B) – мощность составляющих спектра за счет излишней глубины модуляции примыкающих к полосе частот _ΔFС;

– мощность побочных излучений (P_n) – это мощность составляющих спектра с частотами, являющимися гармониками и субгармониками рабочей частоты, возникающие в каскадах умножения и усиления частоты из-за нелинейности характеристик транзисторов. Для исключения помех соседним радиолиниям должны выполняться условия , а соотношения и должны быть не менее 60 – 70 дБ.

Радиоприёмник

Для получения преобразования и выделения информации необходимо приемное устройство (радиоприемник). Он предназначен для выделения высокочастотного сигнала корреспондента из множества сигналов различных радиостанций, усиления выделенного слабого сигнала, преобразования высокочастотного сигнала в сигнал звуковой частоты с последующим усилением до величины, обеспечивающей нормальную работу выходного устройства (телефонов, громкоговорителей).

А. С. Попов повторил опыты Герца и в апреле 1895 г. создал первый приемник (грозоотметчик). "Генрих Герц" - первая в мире радиограмма. (Передавалась азбукой Морзе).

7 мая 1895 г. демонстрация прибора на заседании Русского физико-химического общества. Дальность — 250 м; 1899 г. — 20 км; 1901 г.—150 км. Попов впервые использовал когерер и приемную антенну.

Одновременно с Поповым над той же проблемой работал итальянский изобретатель Гульермо Маркони. Он усовершенствовал приемник, создал первую фирму, занявшуюся производством и продажей радиооборудования (Нобелевская премия по физике).

Рисунок 1.1 -

1 - антенна, 2 - когерер, 3 - электромагнитное реле,

4 - электрический звонок, 5 - источник тока.

Когерер - трубка с металлическими опилками (R очень большое). Когда волна улавливается антенной, напряжение увеличивается, между опилками проскакивают искорки, и они спаиваются. Сопротивление уменьшается, сила тока увеличивается. Включается реле, срабатывает звонок, молоточек звонка ударяет по когереру и происходит встряхивание опилок. Сопротивление когерера увеличивается, цепь звонка размыкается. Приемник вновь готов к работе.

Устройство для приёма (выделения) сигнала из совокупности электромагнитных излучений и обработки его называют радиоприёмником.

Упрощённая схема радиоприёмника:

ВУ – выходное устройство. Основное назначение – выделение сигнала конкретной частоты из всего объема электромагнитных колебаний.

УП – усилитель-преобразователь. Преобразование сигнала в необходимый диапазон частот и усиление его до уровня, необходимого для нормальной работы демодулятора. Также дополнительно подавляет сигналы побочных радиостанций.

Д – демодулятор. Преобразование высокочастотного модулированного сигнала в сигнал звуковой частоты.

У – усилитель.

Н – нагрузка (потребитель).

1. - Входное устройство. Предназначено для выделения конкретного сигнала из совокупности электромагнитных излучений и подавления ненужных радиочастот. Состоит из резонансного контура (совокупности контуров) с возможностью изменения ёмкости или индуктивности для перестройки на нужную частоту.

2. -Усилитель уровня сигнала. Предназначен для подъёма уровня сигнала до значения, необходимого для нормальной работы демодулятора (детектора)

3. – Демодулятор (детектор). Предназначен для выделения информационного сигнала из принятого модулированного. Схемные решения детекторов для различных видов модуляции принципиально различны.

4. – Усилитель низкой частоты. Предназначен для подъема уровня информационного сигнала до значения, необходимого для нормальной работы выходного устройства (телефонов, громкоговорителей, оконечной аппаратуры и т.д.)

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: