Учебное пособие Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образованию в области водного транспорта icon

Учебное пособие Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образованию в области водного транспорта



Смотрите также:
Учебное пособие Рекомендовано к изданию Учебно-методическим объединением по образованию в...
Учебное пособие Г. М...
Учебное пособие Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образованию в области...
Учебное пособие Рекомендовано учебно-методическим объединением вузов по образованию в области...
Учебное пособие для студентов и преподавателей филологических факультетов, учителей-словесников...
Учебное пособие Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образованию в области...
Учебное пособие Допущено Учебно-методическим объединением вузов России по образованию в области...
Учебное пособие Допущено Учебно-методическим объединением вузов России по образованию в области...
Учебно-методическое пособие Горки: Белорусская государственная сельскохозяйственная академия...
Учебное пособие Рекомендовано Учебно-методическим объединением по медицинскому и...
И. Б. Отческая Учебное пособие по «Общей психологии»: Подготовка к пгк...
Э. М. Коротков Исследование систем управления...



страницы:   1   2   3   4
скачать





Министерство транспорта Российской Федерации


РОСМОРФЛОТ


Государственная морская академия имени адмирала С.О.Макарова

_______________________________________________________________________


КАФЕДРА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ





А.Г.Замятин, М.Б. Солодовниченко







РАДИОТЕХНИКА




Учебное пособие


Рекомендовано Учебно-методическим объединением

по образованию в области водного транспорта

в качестве учебного пособия для курсантов и студентов

высших учебных заведений водного транспорта


Санкт-Петербург


2003


УДК 621.396


^ Замятин А.Г.,Солодовниченко М.Б. Радиотехника: Учебное пособие. - СПб., ГМА им.адм.С.О.Макарова. - с., ил.


Рецензенты: доцент Волков А.Л.,


В учебном пособии приводятся сведения по основам радиотехники, необходимые для слушателей, занимающихся изучением и использованием современной радиоэлектронной аппаратуры. Излагаются отдельные разделы электроники, необходимые для понимания принципов работы различных радиотехнических устройств. Даются примеры приложения излагаемого материала к системам радиосвязи, используемым на морском флоте.

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

При изложении материала используются сведения, излагаемые в курсах математики, физики, электроники. Поскольку пособие предназначено для слушателей, не специализирующихся в области радиотехники, в пособии не рассматриваются вопросы, связанные с расчетом и проектированием радиоэлектронной аппаратуры, конструктивных особенностей и технологии изготовления ее элементов. Приводимые в пособии формулы служат лишь иллюстрацией теоретического материала.


Рекомендовано курсантам, студентам морских академий.


Протокол N Пленума Совета УМО ВТ от


ВВЕДЕНИЕ


На морском флоте широко используются различные радиотехнические системы (РТС). Они предназначены для:

- охраны человеческой жизни на море и обеспечения безопасности мореплавания;

- управления работой флота;

- передачи общественной и частной корреспонденции.

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

Цель дисциплины "Радиотехника" - дать слушателям основные сведения, позволяющие понять принципы работы радиотехнических систем различного назначения. Основной задачей дисциплины является изучения основ радиотехники, достаточных для понимания принципов функционирования радиоэлектронных устройств и систем, эксплуатируемых на морском флоте.

В результате изучения дисциплины слушатели должны знать:

- основные преобразования сигналов в радиотехнических системах;

- временные и частотные характеристики сигналов;

- принципы цифровой передачи непрерывных сообщений;

- назначение и основные характеристики типовых радиоэлектронных устройств;

- источники электропитания электронных устройств;

- антенны и особенности распространения радиоволн различных диапазонов.

Пособие состоит из 6 разделов.

В первом разделе рассматриваются основные процессы, протекающие в радиотехнических системах, вводятся основные понятия и определения.

Во втором разделе рассматриваются характеристики сигналов во временной и частотной областях, приводятся основные сведения о кодировании, приводятся примеры кодов, используемых в морской радиосвязи.

В третьем разделе рассматриваются принципы функционирования и основные параметры антенн, а также условия распространения радиоволн различных диапазонов.

В четвертом разделе рассматривается элементная база радиотехнических систем.

В пятом разделе рассматриваются основные характеристики радиотехнических устройств.

В шестом разделе рассматриваются принципы построения и основные характеристики радиопередающих и радиоприемных устройств.


^ 1. ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ


1.1. Основные понятия и определения



Теоретической базой построения РТС является радиотехника.

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

Информацией называют сведения об окружающем нас мире. Материальным носителем информации является сообщение (текст, рисунок). Для передачи сообщений используют сигналы - процессы, распространяющиеся в пространстве и во времени (звук, свет, электрический ток или напряжение). Для формирования и приема сигналов используют специальные технические средства - системы связи. В РТС в качестве переносчика сигналов используют радиоволны.

Радиоволны представляют собой электромагнитные колебания с частотами 3•103...3•1012 Гц. Электромагнитные колебания распространяются в околоземном пространстве со скоростью света С = 300000 км/с. Математически радиоволны описываются гармоническими функциями

s(t) = A·Cos(2ft + φ),

где А - амплитуда,

f - частота,

φ - начальная фаза.

Основной характеристикой радиоволны является частота f. Единица измерения частоты 1 Гц - один период колебания в секунду. Для измерения радиочастот используют кратные единицы: 1 кГц = 1000 Гц, 1 МГц = 1000 кГц, 1 ГГц = 1000 МГц. Зная частоту f, можно определить период Т(с) = 1/f(Гц). Зная период T, можно определить длину волны:

λ = с·Т.

Длину волны измеряют в метрах или кратных/дольных единицах - километрах, дециметрах и т.п.

В зависимости от назначения РТС делятся н группы.



Классификация РТС

РТС



1. РТС передачи 2. РТС извлечения

информации информации

1.1. Радиосвязь 2.1. Радиолокация (Radiolocation)

(Point-to-point communication) 2.2.Радионавигация (Radionavigation)

1.2. Радиовещание

(Broadcаst)

1.3. Факсимильная связь (Faximile)

передача неподвижных изображений

1.4. Телевидение (Television) –

передача подвижных изображений.


^ 1.2. Основные преобразования сигналов в РТС


Рассмотрим основные преобразования сигналов в РТС на примере системы радиосвязи. Под радиосвязью понимают обмен информацией с помощью электромагнитных волн. Структурная схема системы радиосвязи показана на рис.1.1. Источник информации (оператор) взаимодействует с системой связи с помощью устройства ввода (передающий терминал Тпд). Устройство ввода (микрофон телефонного аппарата, клавиатура телеграфного буквопечатающего аппарата, клавиатура компьютера и т.д.) преобразует сообщение (речь, текст) в электрические сигналы, частотный состав (спектр) которых лежит в области низких (звуковых) частот (20Гц..20кГц). При необходимости для повышения энергии таких сигналов используют усилители звуковой частоты УЗЧ. Передача таких сигналов может осуществляться по физическим линиям связи - соединительным проводам.


Структурная схема системы радиосвязи



Рис.1.1


Примером таких систем электросвязи является городская телефонная связь, система связи между отдельными составляющими ЭВМ (процессора с принтером и дисплеем), между несколькими ЭВМ, находящимися в одном здании (на судне) - т.н. локальная вычислительная сеть. Передача информации на подвижные объекты (суда, самолеты автомобили) осуществляется с помощью радиоволн, распространяющихся в околоземном проcтранстве. Распространение радиоволн на большие расстояния возможно лишь на высоких частотах (радиочастотах), кроме того, использование радиочастот позволяет существенно уменьшить размеры антенных устройств. Такие высокочастотные колебания - их называют несущими - вырабатываются с помощью специальных генераторов радиочастот ГРЧ.

Для того чтобы несущее колебание содержало передаваемую информацию, необходимо наложить низкочастотный сигнал на высокочастотное колебание - этот процесс называется модуляцией и реализуется модулятором М. Суть модуляции заключается в изменении одного из параметров несущего колебания по закону управляющего сигнала. Для гармонического несущего колебания используют амплитудную, частотную и фазовую модуляцию.

Для увеличения дальности действия системы радиосвязи (в диапазонах коротких и средних волн) модулированные сигналы усиливают с помощью усилителя радиочастоты УРЧ. Эти блоки расположены в радиопередатчике РПД - устройстве для формирования модулированных радиосигналов.

Модулированные колебания с выхода РПД поступают на передающую антенну WАпд, в которой осуществляется преобразование электрических сигналов в электромагнитные поля (радиоволны). Радиоволны распространяются в околоземном пространстве.

Среда распространения радиоволн образует канал связи КС.

Для приема сигналов необходимо реализовать процедуры, обратные преобразованиям в РПД - прием электромагнитных волн и их преобразование в радиосигналы с помощью антенны WАпм, усиление этих сигналов с помощью усилителя УРЧ, выделение низкочастотного сигнала с помощью демодулятора (детектора) Д, усиление низкочастотного сигнала с помощью УЗЧ. Для предотвращения попадания сигналов от других станций используют избирательное устройство ИУ, осуществляющее частотную селекцию (выделение) сигнала на выбранной несущей частоте, которая представляет собой систему связанных колебательных контуров. Эти преобразования выполняются в радиоприемнике РПМ. Для восприятия сообщения приемником информации (оператором) используют устройство вывода (приемный терминал - Тпр) - динамик, печатающее устройство телеграфного аппарата, дисплей или принтер ЭВМ и т.д., которое преобразует электрические сигналы в сообщение, воспринимаемое оператором (звук, печатные знаки).

Для функционирования перечисленных устройств к ним подключают источник электрической энергии - источник питания ИП.

В системе связи действуют внутренние (внутри аппаратуры) и внешние (в атмосфере) помехи - процессы той же физической природы, что и сигнал. В результате действия помех форма сигнала искажается и правильный прием информации затруднен. Способность системы радиосвязи противостоять помехам называется помехоустойчивостью. Для оценки помехоустойчивости используют различные характеристики в зависимости от вида передаваемой информации. При передаче речи или музыки качество связи оценивается отношением уровня сигнала к уровню помех, определяющим разборчивость речи или качество воспроизведения музыки.. При передаче дискретных сообщений (текста) качество связи оценивается коэффициентом ошибок kош - отношением числа ошибочно принятых знаков Nош к общему числу переданных знаков Nоб : kош = Nош/Nоб.


Рассмотренная система радиосвязи позволяет передавать сообщения 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 выполняют в виде единого устройства, которое способно работать в режиме передачи и приема. Такое устройство называют радиостанцией. В радиостанции модулятор и демодулятор выполняют также в виде единого блока, который называют модем. (Заметим, что 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, которое называют оконечным оборудованием данных – ООД (Data Terminal Equipment-DTE) или терминалом.

С помощью радиостанций можно попеременно менять направление передачи информации и осуществлять поочередную передачу и прием сообщений на одной несущей радиочастоте (одном канале). Такой режим называют симплексным. При наличии линии связи с двумя каналами появляется возможна передача информацию одновременно в обоих направлениях (если оконечное оборудование способно обеспечить одновременную передачу и прием информации). Такой режим двусторонней передачи информации называют дуплексным.


Контрольные впросы к разделу 1


1. Составьте структурную схему системы радиосвязи и опишите назначение основных блоков.

2. Дайте определение радиотехнических систем

3. Приведите примеры радиотехнических систем передачи информации.

4. Перечислите характеристики, определяющие качество передачи информации в системах связи.

5. Приведите показатели помехоустойчивости приема непрерывных и дискретных сообщений.


^ 2. СИГНАЛЫ В РТС


2.1. Классификация сигналов






1 -

t0










0 - to

или

to


















Под сигналами будем понимать изменяющийся во времени электрический ток или напряжение. Сигналы, отражающие передаваемое сообщение, могут быть непрерывными, принимающими любое значение в пределах заданного диапазона (например, на выходе микрофона), и дискретными, принимающими в заданные моменты времени одно из нескольких разрешенных значений. Например, для передачи знаков русского алфавита необходимо использовать 33 разных сигнала, для передачи цифр – 10 сигналов. Для простоты технической реализации и универсальности систем передачи информации, способных передавать различные сообщения, число используемых сигналов принимают равным 2 (для удобства анализа их обозначают обычно символами 1 и 0). Символу 1 соответствует, например, высокий уровень напряжения прямоугольной формы



Форма цифровых сигналов




Рис.2.1


длительностью t0, символу 0 - низкий (нулевой) уровень напряжения той же длительности

или импульс напряжения отрицательной полярности (см. 2.1). Такие сигналы называют цифровыми или двоичными. Для отображения знаков алфавита с помощью набора 1 и 0 используют специальные коды, с помощью которых каждый знак алфавита представляется двоичным числом или кодовой комбинацией. Кодирование и декодирование осуществляется в терминале.

Системы, предназначенные для передачи непрерывных сигналов, называют непрерывными или аналоговыми, а системы, предназначенные для передачи дискретных сигналов, называют дискретными или цифровыми системами. Непрерывные сигналы во временной области характеризуются динамическим диапазоном - областью, в пределах которой изменяется значение сигнала, и полосой занимаемых частот. Цифровые сигналы характеризуются длительностью tо или скоростью передачи V – числом сигналов, передаваемых в единицу времени. Эта величина измеряется в Бодах (1 Бод равен одному двоичному сигналу в секунду): V (Бод) = 1/ tо (с). Для передачи двоичных сигналов также требуется некоторая полоса частот, которая зависит от скорости передачи tо.

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


^ 2.2. Элементы кодирования и теории информации


Кодом называют таблицу, в которой каждому знаку алфавита ставится в соответствие набор двоичных элементов (их условно обозначают 1 и 0) - кодовая комбинация. При технической реализации системы передачи цифровой информации элементам кода 1 и 0 соответствуют два различных сигнала, например, прямоугольный импульс положительного напряжения длительностью to секунд и импульс отрицательного напряжения (или пауза) той же длительности. Различают неравномерные и равномерные коды. Примером неравномерного кода является код Морзе - знаки алфавита кода Морзе имеют разную длину, причем часто встречающиеся знаки имеют короткие кодовые комбинации, редко встречающиеся - более длинные. Например, букве "е" соответствует точка, т.е. символ "1" - импульс длительностью tо, букве "а" - точка, пауза длительностью tо и тире, длительность которого равна 3 tо (рис.2.2). Такая структура кода обеспечивает экономию времени при передаче сообщения (так как часто встречающиеся знаки кодируются короткими кодовыми комбинациями, а редко встречающиеся - длинными) и имеет музыкальную окраску, что облегчает прием сообщения на слух, но неудобна при автоматическом приеме с помощью специальных технических устройств.

Пример кодовых комбинаций кода Морзе (однополярные посылки)


1 1 0 1 1 1

"е"   "а" 

tо tо 3tо


Рис.2.2

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. Это число элементов k называют длиной кодовой комбинации. Минимальная длина кодовой комбинации kмин определяется из условия


kмин = log2 N, где N - число знаков, передаваемое кодом.


Каждый двоичный элемент кодовой комбинации (1 или 0)содержит определенное количество информации, равное 1 биту (bit - binary digiT), скорость передачи информации измеряется в значениях бит/с. При длительности сигналов to скорость передачи информации составит B = 1/to бит в секунду. Например, при to = 20 мс В = 50 бит/с. (Очевидно, что при передаче только информационных сигналов 1 бит/с численно равен 1 Боду).

Уровни напряжения сигналов, соответствующих 1 и 0, и скорость передачи являются характеристиками цифровых сигналов во временной области.

Рассмотрим примеры кодов, используемых в радиосвязи.



Код Бодо (МТК-2)


В настоящее время организована и функционирует международная телеграфная сеть, служащая для передачи буквенно-цифровых сообщений (телекс). В качестве оконечных устройств ввода-вывода сообщения в телеграфной сети используются телеграфные буквопечатающие аппараты ТА. В ТА применяется код Бодо, который также называют Международным телеграфным кодом N 2 (МТК-2 - ITA -2). Код Бодо является 5-элементным, т.е. с его помощью можно составить 25=32 кодовые комбинации (рис.2.3). Для расширения возможностей кода используются специальные комбинации, которые называют буквенными регистрами (латинские буквы и русские буквы - в телеграфных аппаратах, приспособленных для сообщений на русском языке) и цифровым регистром. В результате одна и та же кодовая комбинация используется для формирования знаков русского, латинского алфавитов или цифр в зависимости от выбранного регистра. Например, кодовой комбинации 10011 в русском регистре соответствует буква Б, в латинском - буква В, в цифровом - знак ?. При передаче сообщений с помощью ТА необходимо выбирать соответствующий регистр.


Пример кодовой комбинации кода МТК-2 (двухполярные посылки)




1 0 0 1 1

+U


t

to to to to to

- U


Рис.2.3


Код ASCII

Американский стандартный код для обмена информацией ASCII (American Standart

Code for Information Interchange) - используется в современных ЭВМ – персональных компьютерах ПК. Он состоит из 7 информационных элементов. 7 информационных элементов (бит) создают 27=128 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 (1 байт = 8 бит), то оставшийся восьмой бит может использоваться для различных служебных целей - или для обнаружения в принятом байте ошибки путем проверки на четность, или для увеличения числа знаков, так что можно создавать специальные символы национального алфавита, которые используются в том или ином регионе (символы ASCII кода с номерами от 128 до 255).


^ Принципы построения кодов с обнаружением ошибок



Рассмотренные выше коды, используемые для передачи дискретной информации (МТК-2, ASCII), не способны автоматически обнаруживать возникающие из-за помех ошибки. В результате при неверном приеме двоичных сигналов возникают ошибки в регистрируемой информации (например, если при передаче буквы "А" в коде МТК-2 (комбинация 11000) из-за помехи пятый элемент будет принят неверно (принята комбинация 11001) приемник зарегистрирует букву "В". Для борьбы с ошибками в современных системах связи используют т.н.помехоустойчивые коды, способные обнаруживать или исправлять ошибки. Для обнаружения ошибок в коды вводят избыточность - увеличивают длину кодовой комбинации - к информационным элементам добавляют проверочные, которые формируют по определенным правилам. На приемной стороне принятая кодовая комбинация обрабатывается для проверки выбранного 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 или 0 - так, чтобы суммарное число единиц оказалось четным. Например, для исходной комбинации 11000 кодовая комбинация четного кода имеет вид - 110000. При возникновении ошибки, например, в пятом элементе - 110010 число единиц окажется нечетным. Специальное устройство в приемнике, подсчитав число единиц, обнаружит ошибку и "забракует" эту комбинацию. Аналогичным образом можно построить код с нечетным числом единиц. Такие коды с проверкой на четность (check parity) применяют при обмене данными между ПК. Заметим, что этот код не способен исправлять ошибки - для получения правильной информации необходимо организовать повторную передачу кодовых комбинаций, принятых с ошибкой. К тому же при возникновении в кодовой комбинации, например, двух ошибок устройство эти ошибки не обнаружит. Например, если в принятой комбинации ошибки возникнут на 3 и 5 позициях - 111010 число единиц сохранится четным и приемник зарегистрирует букву "Я", соответствующую комбинации 11101 в коде МТК-2.

Для обнаружения двойных (и более) ошибок и для автоматического исправления ошибок используют более сложные коды. Например, в морской радиосвязи используют 7-элементный код 3:4, в котором каждая кодовая комбинация имеет 3 "единицы" и 4 "нуля" (например, 1001001, 1101000, 1100100). Из общего числа 27 семиэлементных комбинаций такому правилу соответствуют 35 комбинаций. На приемной стороне специальное устройство "проверяет" соотношение 3:4 и если оно не выполняется, комбинация "бракуется". Таким образом предотвращается прием ошибочной информации. Для получения верной информации используются различные алгоритмы (методы): автоматический запрос на повторение информации, двукратное дублирование кодовых комбинаций). Подобный код используется в системе морского радиотелекса, который является составной частью аппаратуры ГМССБ.



^ 2.3. Спектры сигналов


Физические сигналы обычно описываются функциями времени. Однако, при передаче информации с помощью гармонических электромагнитных волн удобно представлять сигналы в частотной области. Связь между представлениями сигналов во временной и частотной областях определяется известным преобразованием Фурье



X(w) = ∫S(t)·℮- jwtdt, S(t) = [1/(2)]·∫ X(w)·℮ jwt dw

- -

где w=2f – угловая частота

Функция X(f) называется спектром сигнала S(t). Физический смысл спектра заключается в том, что он определяет совокупность гармонических составляющих (с заданными амплитудами и частотами), формирующих заданную форму сигнала во временной области. В общем случае спектр сигналов, ограниченных во времени, бесконечен, т.е. для получения заданной формы сигнала необходимо бесконечно большое число гармоник, однако амплитуды гармоник падают с ростом частоты. Это позволяет ограничить реальный спектр некоторой полосой частот, достаточной для обеспечения воспроизведения сигналов с требуемой точностью. Обычно в качестве критерия выбора занимаемой полосы частот принимают заданный уровень энергии за пределами этой полосы (например, 1 процент от общей мощности сигнала). На рис. 2.4 показаны характеристики прямоугольных импульсов во временной и частотной областях.

Очевидно, что для достаточно точного воспроизведения формы импульса достаточно 3 гармонических составляющих основной частоты 1/to. Реальная полоса частот прямоугольного импульса длительностью to, определяется соотношением ∆f = (1...3)/to. Например, в полосе частот (0...1/to) сосредоточено 90% энергии, в полосе (0...2/to) - 95% энергии, в полосе (0...3/to) - 97% энергии сигнала.


Характеристики сигналов во временной и частотной областях





Рис.2.4


Спектр звуковых сигналов, воспринимаемых человеком, содержит гармонические составляющие от 20 Гц до 20000 Гц, однако, уровень частотных составляющих на нижнем и верхнем участках частот пренебрежимо мал по сравнению с амплитудами частот в середине частотного диапазона. Поэтому, без ущерба для разборчивости речи диапазон частот речевого сигнала 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).



2.4. Модуляция


Спектры сигналов, вырабатываемых терминалами (микрофонами, буквопечатающими ТА, ЭВМ) лежат в области низких частот. У цифровых сигналов основная энергия приходится на "нулевую" частоту, т.е. постоянную составляющую сигнала (см. рис.2.3), поэтому такие сигналы часто называют сигналами постоянного тока. Ток низких частот свободно распространяется по проводникам (физическим проводам), но излучение и прием электромагнитных волн на этих частотах чрезвычайно заьруднен. Для передачи сигналов на большие расстояния с помощью электромагнитных волн необходимо перенести спектр низкочастотного сигнала в область высоких частот (радиочастот). Этот перенос спектра называют модуляцией, которая осуществляется с помощью модулятора. Суть модуляции заключается в том, что один из параметров высокочастотного гармонического колебания (его называют несущим колебанием, а частоту – несущей частотой) изменяется по закону низкочастотного (управляющего) сигнала, содержащего передаваемое сообщение. В соответствии с параметрами гармонического колебания различают амплитудную, частотную и фазовую модуляцию.


2.4.1. Амплитудная модуляция


При амплитудной модуляции (АМ) амплитуда несущего высокочастотного колебания изменяется по закону управляющего сигнала. Рассмотрим простейший случай АМ колебания, когда управляющим сигналом является также гармоническое колебание (So•cos2Fot - т.н.модуляция одним тоном, Рис.2.5).




Рис.2.5


Амплитудно-модулированное колебание (АМК) имеет вид:


Uам =(Ао + So•сos2Fo)•сos2fot = Aocos2fot + 0.5Mcos2(fo+Fo)t + 0.5Мcos2(fo+Fo)t

где М – глубина амплитудной модуляции,

А0 – аиплитуда высокочастотного несущего колебания,

S0 - амплитуда низкочастотной огибающей,

f0 – частота высокочастотного заполнения,

F0 – частота низхкочастотной огибающей.



На рис.2.6 показаны спектры управляющего cигнала - гармонического сигнала с частотой Fo и амплитудой S (рис.а), несущего колебания - гармонического сигнала с частотой fo и амплитудой Ао (рис.б) и модулированного колебания (рис.в). Из рисунков видно, что исходный низкочастотный сигнал (с частотой Fo) в результате модуляции переносится в область радиочастот (fo). Спектр модулированного колебания содержит несущую (fo) и две боковые частоты - верхнюю с частотой (fo+Fo) и нижнюю с

частотой (fo-F0).Отношение М = Soо называют коэффициентом АМ, 0 ≤ М ≤ 1.

При М > 1 наступает явление перемодуляции, которое характеризуется потерей полезной информации, поэтому принимают меры, чтобы предотвратить наступление пермодуляции.


Спектр сигналов при тональной АМ


Сигнал Несущая АМ-колебание




S0 A0 А0

0.5МА0 0.5МА0



f … f … f

0 F0 0 f0 0 f0-F0 f0 fo+F0

до модуляции после модуляции

а) б) в)


Рис.2.6


В общем случае, когда спектр управляющего сигнала занимает полосу частот от Fмин -– (т.1) до Fмак – (т.2) (рис.2.7.а), в спектре модулированного сигнала возникают боковые полосы - нижняя, с полосой от (fo-Fмак) - (т.3) до (fo-Fмин) – (т.4) и верхняя, с полосой от (fo+Fмин) – (т.6) до (fo+Fмак) – (т.7) (рис.2.7,б). Несущая частота fo расположена в т.5.


Спектр АМ сигнала в общем случае


Сигнал АМ-колебание










f … f

0 0

1 2 3 4 5 6 7

а) б)



Рис.2.7


Спектр частот, занимаемый АМ-сигналом, сосредоточен около несущей частоты fo и занимает полосу 2•Fмак. Информация об управляющем сигнале содержится в каждой из боковых полос. Дублирование информации устраняется использованием только одной боковой полосы – для однополосной передачи применяют нижнюю боковую полосу, что позволяет почти в 2 раза сократить занимаемую полосу частот и уменьшить потребление энергии.



2.4.2. Угловая модуляция


При частотной модуляции по закону управляющего сигнала изменяется частота несущего колебания около среднего значения fo (Рис.2.8).




Рис. 2.8


Частотно-модулированное колебание при модуляции одним тоном имеет вид:


Uчм = Ао•cos(2fo+kScos2Fo).


Максимальное отклонение частоты fd = kS от fo называют девиацией частоты. Величину Мч = fd/Fo называют индексом частотной модуляции. Для реализации преимуществ частотной модуляции, величину Мч выбирают много больше единицы.

Аналогично, при фазовой модуляции по закону управляющего сигнала изменяется фаза несущего колебания. Поскольку фаза и частота взаимосвязаны (частота - производная от фазы, а фаза - интеграл от частоты), эти виды модуляции объединяют общим названием - угловая модуляция.

Спектры сигналов при частотной и фазовой модуляции имеют более сложный состав, чем при АМ, однако основные закономерности спектра - несущая и боковые полосы - сохраняются.

Ширина спектра ЧМ-сигнала составляет Fчм = 2Мч∆Fмак, где как и прежде ∆Fмак - полоса частот, занимаемая управляющим сигналом.

Так как Мч > 1, спектр ЧМ-сигнала шире спектра АМ-сигнала. Поэтому, в частности, частотную модуляцию используют только в диапазоне ультракоротких волн, чтобы относительная ширина спектра не оказалась чрезмерно большой.

Частотная модуляция обладает большей помехоустойчивостью по сравнению с амплитудной. Это объясняется тем, что помехи на входе приемного устройства приводят, как правило, к случайному изменению амплитуды, т.е. искажают информационный параметр. При частотной модуляции влияние помех на амплитуду сигналов не приводит к изменению информационного параметра - частоты. Наибольшей помехоустойчивостью обладают фазо-модулированные сигналы, однако техническая реализация фазовых модуляторов наиболее сложна, кроме того, существует явление набега фазы, которое существенно снижает длительность синхронной работы устройств с фазовой модуляцией.

Для восстановления низкочастотного сигнала в приемном устройстве осуществляется обратное преобразование – демодуляция (детектирование).


2.4.3. 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 несущего колебания принимает одно из двух фиксированных значения, такую разновидность модуляции называют манипуляцией. По аналогии с модуляцией различают амплитудную, частотную и фазовую манипуляции. Следует отметить, что, в манипуляция (модуляция двоичным сигналом) обладает значительно большей помехоустойчивостью, чем модуляция непрерывным сигналом.

В системах с амплитудной манипуляцией (Amplitude Shift Keying) амплитуда гармонической несущей изменяется в зависимости от того, имеется на входе модулятора 0 или 1. Например, двоичной 1 может соответствовать заданная амплитуда несущей

S1 = A·Cos(2ft ) , двоичному 0 – нулевая амплитуда - отсутствие колебания, т.е. пауза

S0 = 0. Такие сигналы называют сигналами с пассивной паузой. При приеме сигналов с пассивной паузой возникают проблемы с различением амплитуд колебаний при приеме, так как в процессе распространения сигналы ослабевают, и их уровень может оказаться соизмеримым с уровнем помех. Говорят, что амплитудная модуляция имеет низкую помехоустойчивость, т.е. высокую вероятность ошибочной регистрации двоичных сигналов.

В системах с частотной манипуляцией (Frequency Shift Keying) осуществляется изменение частоты несущей в соответствии с поступившим цифровым сигналом. Например, двоичной 1 соответствует более низкая частота по сравнению с частотой несущей, двоичному 0 - более высокая: S1 = A·Cos(2f1t ), S0 = A·Cos(2f0t), Формирование частот осуществляется сдвигом несущей частоты "вверх' или "вниз" на некоторую величину (например, на +/- 85 Гц в диапазоне коротких волн, так что f0 - f1 = 170 Гц, или на +/-400 Гц в диапазоне УКВ). Такие сигналы называют в математике ортогональными. Частотная манипуляция обладает более высокой помехоустойчивостью по сравнению с амплитудной, так как при частотной манипуляции изменение амплитуды сигнала из-за помех несущественна для правильного приема.

В системах с фазовой манипуляцией (Phase Shift Keying) фазовый сдвиг гармонического колебания изменяется в зависимости от поступившего двоичного сигнала. Для лучшего различения фазоманипулированных сигналов сдвиг фаз между сигналами S1 и S0 выбирают наибольшим, т.е. равным .

В этом случае S1 = A·Cos(2ft ), S0 = A·Cos(2ft+) = - S1. Такие сигналы называют противоположными.

Спектры манипулированных сигналов по своей структуре не отличаются от спектров модулированных колебаний - они содержат несущую и две боковые полосы.



2.4.4. Модемы в сетях компьютерной связи


Для взаимодействия двух и более персональных компьютеров (ПК) их соединяют между собой - создают т.н. локальную вычислительную сеть. Для соединения территориально разнесенных ПК используют развитую сеть телефонной связи.

Для обмена данными между персональными компьютерами с помощью телефонной сети также используют модемы (модем = МОдулятор + ДЕМодулятор). Как отмечалось выше, основная энергия сигналов постоянного тока на выходе компьютера приходится на "нулевую" частоту, т.е. постоянную составляющую, а телефонная сеть пропускает сигналы звуковых частот начиная с частоты 300 Гц. Для преобразования сигналов постоянного тока в звуковые частоты в диапазоне 300...3400 Гц и используются модуляторы (рис.2.9). Например, в режиме частотной модуляции модулятор модема при передаче преобразует сигналы, соответствующие 1 и 0 в гармонические колебания с частотой соответственно

1270 Гц (f1) и 1070 Гц (f2) той же длительности. Для одновременного приема сигналов используют частоты 2225 Гц (f3) и 2025 Гц (f4). На входы компьютеров поступают сигналы постоянного тока, которые формируются в демодуляторах модемов. Кроме указанной задачи, модемы позволяют сгладить существенные различия между скоростью пердачи данных ПК и сравнительно небольшой скоростью передачи данных в стандартной телефонной линии.


Схема локальной вычислительной сети



Рис.2.9


2.4.5. Однополосные сигналы


Анализ спектра амплитудно-модулированного сигнала (рис.1.3) показывает, что информация о передаваемом сигнале содержится в каждой боковой полосе. Несущая с частотой fо известна на передающей стороне (частота настройки передатчика) и не несет информации о передаваемом сигнале. Расчеты показывают, что даже при максимальном значении коэффициента модуляции М = 1, мощность боковой составляющей амплитудно-модулированного сигнала не превышает 25% от мощности несущей, т.е. основная доля мощности приходится на несущее колебание. Для улучшения энергетических показателей напряжение несущей частоты подавляют. Для уменьшения полосы частот, занимаемой модулированным сигналом, исключают одну из боковых полос (верхнюю боковую полосу). Такие однополосные сигналы называют сигналами с одной боковой полосой - ОБП (SSB). Расчеты показывают, что переход на однополосные сигналы позволяет получить выигрыш по мощности в 4...8 раз.

Заметим, что передатчики и приемники однополосных сигналов имеют более сложную структуру.


2.4.6. Характеристики классов излучений, используемых в морской подвижной службе.



В радиосвязи используют различные виды модулированных колебаний (излучений). Регламентом радиосвязи предусмотрено обозначение трех характеристик излучения.

Первый индекс – буква, обозначающая тип модуляции основной несущей. Излучения, при которых основная несущая модулируется по амплитуде, обозначаются:

 А – двухполосная;

 Н – однополосная с полной несущей;

 R - однополосная с частично подавленной несущей;

 J – однополосная с полностью подавленной несущей;

 В – с двумя независимыми полосами.

Излучения, при которых несущая имеет угловую модуляцию, обозначаются:

 F - частотная модуляция;

 G - фазовая модуляция.

Второй индекс – цифра, обозначающая характер сигнала, модулирующего основную несущую. Например:

 1 - цифровая информация без использования модулирующей поднесущей;

 2 – цифровая информация с использованием поднесущей (звуковой частоты);

 3 – аналоговая информация.

Третий индекс – буква, обозначает тип передаваемой информации, например,

 А – телеграфия для слухового приема (код Морзе);

 В – телеграфия для автоматического приема (буквопечатание – телекс);

 Е – телефония;

 С – факсимиле.


Спектры сигналов для различных классов излучений




А
1А - ^ Unmodulated Morse code - немодулированная несущая

fн - несущая частота - частота настройки передатчика






A2A - ^ Double-sideband (DSB) modulated Morse

АМ кодом Морзе с двумя боковыми частотами








H2A - Single-sideband (SSB) modulated Morse code

Однополосная АМ кодом Морзе с полной несущей


А
3Е - ^ DSB Telephony (Commercial broadcast)

Двухполосная АМ телефония с полной несущей






H3E - SSB Full-carrier telephony (2182 kHz)

Однополосная АМ телефония с полной несущей



R3E - SSB Reduced-carrier telephony

Однополосная АМ телефония с "придавленной" несущей (подавление несущей на 16...18 дБ)


J
3E - SSB Suppressed - carrier telephony

Однополосная АМ телефония с подавленной несущей


F
1B – Telex -

ЧМ-буквопечатание (телекс)

fo =fн - 85 Гц, f1 = fн +85 Гц




J2B - ^ Telex

ЧМ-буквопечатание (телекс)

(частоты, показанные пунктиром, не излучаются)

fп - средняя частота полосы излучаемых частот

f0=fпр-85 Гц = fн,+1615 Гц

f
1=fпр+85 Гц= fн,+1785 Гц


F3E\G3E - Frequency\Phase modulated telephony

ЧМ/ФМ телефония



2.4.7. Передача непрерывных сигналов цифровым способом


Интенсивное развитие средств вычислительной техники, внедрение в технику телекоммуникаций персональных компьютеров привело к необходимости передачи непрерывных сигналов цифровыми методами. Кроме того, следует отметить, что цифровые сигналы обладают повышенной помехоустойчивостью перед аналоговыми. Для преобразования непрерывного сигнала s(t) (рис.2.10,а) в цифровой необходимо выполнить три операции: дискретизация непрерывного сигнала по времени (рис.2.10,б), квантование по уровню (рис.2.10,в) и кодирование (чаще всего двоичное рис2.10,г).




Рис.2.10


Суть первой операции заключается в том, что передача непрерывного сигнала s(t) заменяется передачей значений сигнала s(t1), s(t2) … в равноотстоящие моменты времени t1, t2... c интервалом Т. Доказано (теорема Котельникова), что если сигнал имеет спектр, максимальная частота которого Fмак , то интервал между отсчетами Т= 1/(2Fмак). Для передачи значений сигнала цифровым способом используют операцию квантования. Она заключатся в том, что диапазон изменений сигнала (от Амак до 0) делится на N уровней с шагом квантования Амак/(N+1). Истинные значения сигнала в моменты отсчета заменяются на ближайший разрешенный уровень сигнала, при этом 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, длина кодовой комбинации n = log2 N. Двоичный код передается по линии связи. На приемной стороне осуществляетяс обратное преобразование цифрового сигнала а аналоговый.

Значение номера уровня сигнала должно быть передано за интервал Т Длительность передачи двоичного сигнала to определяется очевидным соотношением to = 1/(2Fмак· n). Например, для цифровой передачи телефонного сигнала принимают Fмак = 4000 Гц и N =256 (n = 8), что соответствует скорости передачи 64 кбит/c.


Контрольные вопросы к разделу 2



1. Приведите примеры непрерывных и дискретных сообщений.

2. Опишите назначение кодирования и приведите примеры двоичных кодов и их характеристики.

3. Укажите назначение помехоустойчивых кодов и опишите принцип обнаружения ошибок помехоустойчивыми кодами.

4. В каких единицах измеряется количество информации и скорость передачи информации при передаче дискретных сообщений?

5. Дайте определение спектра сигнала

6. Как связана длительность импульса с его спектром?

7. Какие виды модуляции используются в радиосвязи?

8. Определите полосу частот, занимаемую двухполосным амплитудно-модулированным сигналом, если максимальная частота спектра речевого сигнала – Fмак.

9. Перечислите достоинства и недостатки частотной и фазовой модуляции по сравнению с амплитудной модуляцией.

10. Перечислите достоинства и недостатки однополосной модуляции по сравнению с двухполосной модуляцией.

11. Опишите структуру спектра модулированного колебания

12.Опишите назначение аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразований.

13. Опишите назначение модемов в компьютерной связи




^ 3. АНТЕННЫ. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН


3.1. Антенны - назначение, принцип работы


Передающие антенны - устройства для преобразования высокочастотных токов (напряжений) в электромагнитное поле, приемные антенны выполняют обратные преобразования. Соединение антенн с приемниками и передатчиками осуществляется с помощью фидеров - линий для передачи энергии радиочастотных сигналов от радиопередатчика к антенне или от антенны к радиоприемнику.

Антенну можно рассматривать как открытый колебательный контур. В обычном контуре электрическая энергия сосредоточена между обкладками конденсатора, а магнитная - между витками катушки. Для того чтобы "выпустить" электрическое поле наружу, необходимо раздвинуть обкладки конденсатора. Для сохранения значения емкости при этом необходимо увеличивать размеры обкладок. Аналогичным образом создается внешнее магнитное поле. В пределе колебательный контур превращается в два провода. Т.о. антенны представляют собой цепи с распределенными параметрами, в которых индуктивность и емкость распределены вдоль проводника, длина которого должна быть соизмерима с длиной волны электрических сигналов. Для создания электромагнитных волн необходимо подключить сигнал в разрыв между проводами, которые называются вибратором. Максимальную энергию вибратор излучает при резонансе, т.е. когда длина проводников равна половине длины волны. Такую антенну называют полуволновым вибратором.

Если вибратор поместить в переменное электромагнитное поле, под влиянием поля в нем возникнут колебания тока и напряжения, т.е. вибратор в этом случае выполняет роль приемной антенны.

Максимальное значение амплитуды тока возникнет, когда длина приходящей волны равна удвоенной длине вибратора. Максимальное значение тока возникает в середине вибратора, поэтому фидер (провод) для передачи тока к приемнику следует подключать к разрыву в середине вибратора (такой вибратор называют симметричным – рис.3.1).


Симметричный полувибратор




I λ/4


~





λ/4




Рис.3.1.


Антенны излучают или принимают электромагнитные волны в различных направлениях неодинаково. Характеристикой направленности антенны называют зависимость мощности излучения от направления на одинаковом расстоянии от антенны. График этой зависимости называют диаграммой направленности, численное значение - коэффициентом направленности. На рис. 3.2. показана диаграмма направленности (ДН) полуволнового вибратора для плоскости, в которой он расположен (вертикальная ДН а), и плоскости, перпендикулярной его оси (горизонтальная ДН б). В первом случае существуют два максимума излучения (приема) в направлении, перпендикулярном оси вибратора, во втором случае вибратор излучает энергию равномерно во всех направлениях.


Диаграмма направленности антенны типа полуволновой вибратор





L= 0,5






а) б)




Рис.3.2


Приведенная на рисунке диаграмма направленности симметричного полувибратора соответствует случаю, когда он расположен далеко от поверхности земли (на расстоянии много больше длины волны), т.е. в свободном пространстве. Проводящая земная поверхность изменяет характер процессов в антенне и ее диаграмму направленности.

Влияние земной поверхности можно учесть с помощью зеркального изображения антенны. Рассмотрим вертикальный проводник длиной L, касающийся одним концом земной поверхности. Резонансная длина волны такого вертикального несимметричного вибратора равна учетверенной длине вибратора (рис.3.3). Такие антенны (их называют "штыри") устанавливают на судах. При длине вибратора меньше четверти длины волны для увеличения "электрической" длины антенны к верхнему концу присоединяют отрезок горизонтального провода, что создает дополнительную емкость (Г- или Т-образная антенна).


Вертикальная диаграмма направленности антенны типа несимметричный полувибратор





L=0,25






Рис.3.3


При изменении длины волны излучения для настройки антенны в резонанс используют согласующее устройство - включают колебательный контур с переменными параметрами. Согласующее устройство включают на выходе радиопередающего устройства для увеличения мощности, передаваемой в антенну. В современных радиопередатчиках настройка согласующего устройства осуществляется автоматически.

Для уменьшения размеров антенн применяют рамочные и магнитные антенны, которые реагируют на магнитную составляющую электромагнитного поля. Рамочная антенна представляет собой плоскую катушку прямоугольной или круглой формы, витки которой намотаны на жесткую рамку. Магнитная антенна представляет собой катушку с ферритовым сердечником. Эти антенны являются также слабонаправленными - диаграмма направленности рамочной антенны аналогична диаграмме симметричного вибратора, расположенного вдоль оси рамки, магнитная антенна имеет нуль диаграммы вдоль оси антенны. Эти антенны менее чувствительны, чем, например, Г-образная.

В диапазоне УКВ для увеличения дальности широко используются направленные антенны. Например, антенна типа "волновой канал", имеет диаграмму направленности в виде узкого вытянутого в одну сторону лепестка. Такая диаграмма направленности достигается за счет добавления к симметричному вибратору рефлектора (за вибратором) и директоров ( до 8 - перед вибратором) - см. рис.3.4. Подобные антенны применяются в телевидении для приема дециметровых каналов.


Антенна типа "волновой канал"







Рис.3.4


В радиолокации (сантиметровый и миллиметровый диапазон волн) используются рупорные и щелевые антенны. Для передачи электромагнитной энергии в этих диапазонах используются специальные линии – волноводы. В спутниковых системах связи применяют направленные зеркальные антенны (Inmarsat-A), или ненеправленные антенны (Inmarsat-B, Inmarsat-C и др.).


^ 3.2. Распространение радиоволн


3.2.1. Основные свойства радиоволн


Радиоволны представляют собой переменные связанные электрические и магнитные поля. Электромагнитное поле описывается уравнениями Максвелла, который обосновал гипотезу о том, что переменное электрическое поле возбуждает в окружающем пространстве переменное магнитное поле и наоборот. Основные свойства электромагнитного поля:

1. В однородном пространстве радиоволны распространяются прямолинейно, скорость распространения волн в воздушном пространстве равна 300.000 км\с.

2. Распространение волн в проводящей среде (земле, воде, ионизированном газе) сопровождается поглощением энергии.

3. Если волны от одного и того же источника приходят в точку приема разными путями, происходит сложение этих волн - интерференция.

4. При встрече с препятствиями волны способны огибать их - это явление называется дифракцией. Дифракция уменьшается с уменьшением длины волны.

Вблизи земной поверхности радиоволны распространяются не так, как в свободном пространстве, так как среда (земная поверхность - атмосфера) является неоднородной.

Верхняя область атмосферы, содержащая свободные носители электрических зарядов, возникающие за счет влияния солнца, называется ионосферой. Электрические свойства ионосферы характеризуются концентрацией свободных зарядов - числом ионов и электронов в единице объема (1 куб.метре). Концентрация зарядов зависит от времени года (летом больше, чем зимой) и времени суток (днем больше, чем ночью). При возрастании солнечной активности и космического излучения возникают резкие изменения ионизации (магнитные бури).

Концентрация ионов и электронов в ионосфере на разных высотах различна, можно выделить несколько слоев с повышенной концентрацией ионов:

нижний слой D на высоте 60...90 км с концентрацией до 109 3. Слой D образуется в дневное время, ночью слой D исчезает;

слой Е на высоте 120…150 км с концентрацией до 1011 3 днем и до 1010 /м3 ночью;

слой F на высоте 180...400 км с концентрацией до1012 3 днем и до 10113 ночью.

При распространении радиоволн между земной поверхностью и ионосферой происходит потеря их энергии из-за взаимодействия электромагнитного поля со свободными носителями зарядов. Потери энергии радиоволны зависят от длины волны (частоты).

При распространении радиоволн необходимо отдельно рассматривать радиоволны, распространяющиеся вдоль земной поверхности (поверхностные или земные) и радиоволны, попадающие в ионосферу и отражающиеся от нее (пространственные или ионосферные).

Потери земных волн за счет частичного проникновения в землю тем больше, чем меньше длина волны, т.е. чем больше частота.

Потери пространственных волн тем больше, чем больше длина волны, т.е. чем меньше частота.

При попадании в слои ионосферы радиоволны отражаются от них или преломляются, причем возможность отражения зависит от степени ионизации ионосферы, частоты и угла падения волны. Максимальная частота, которая может отразиться от ионизированного слоя при вертикальном падении на его границу, называется критической частотой и определяется выражением fкр =9N, где N - концентрация свободных зарядов.




оставить комментарий
страница1/4
Дата02.09.2011
Размер0,77 Mb.
ТипУчебное пособие, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

страницы:   1   2   3   4
отлично
  1
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Документы

наверх