Принципы ведения радиосвязи. Канал и линия радиосвязи. Выбор структурной схемы передающей части радиолинии и расчет радиолинии

Система передачи информации, в которой сигналы электросвязи передаются посредством радиоволн в открытом пространстве, назы­вается радиотехнической системой. Радиосистемы подразделяются на радиоли­нии и радиосети.

В зависимости от назначения радиотехнические системы делятся на группы.

Классификация РТС

1. РТС передачи информации 2. РТС извлечения информации

Радиосвязь Радиолокация

Радионавигация

Радиовещание

Факсимильная связь - передача неподвижных изображений

Телевидение – передача подвижных изображений.

Ниже приведены схемы организации радиосвязи между судами и береговыми радиостанциями в зависимости от расстояния между ними.

Радиопередающее устройство

Радиопередающее устройство предназначено для создания высокочастотных колебаний, осуществления их модуляции и воз­буждения электромагнитных волн в пространстве. В соответствии с этим оно содержит следующие основные элементы. Здесь имеется в виду передатчик с амплитудной модуляцией.

Задающий генератор колебаний высокой частоты. Такой генератор преобразует энергию источника постоянного напряжения в гармонические колебания высокой частоты U вч = U m COS (ω mt ) частота ω m этих колебаний называется несущей частотой .

Основными элементами задающего генератора являются электронная лампа, транзистор и колебательный контур. Индуктивность и емкость колебательного контура определяют частоту генерируе­мых колебаний; изменяя эти параметры, можно перестраивать задающий генератор (и, следовательно, весь передатчик) с одной несущей частоты на другую. Электронная лампа и транзистор, являются нелинейными приборами, играют роль своеобразного ключа, регу­лирующего поступление энергии в контур от источника постоян­ного напряжения, чем обеспечивается поддержание колебаний в контуре.

Преобразователь сообщения в электрический сигнал, используемый для модуляции колебаний высокой частоты. Вид преобразователя зависит от физической природы передаваемого сообщения: при звуковом сообщении преобразователем являет­ся микрофон, при передаче световых изображений (телевиде­ние) - передающая телевизионная трубка, при передаче результатов измерения неэлектрических величин - датчики того или иного вида.

Электрический сигнал, полученный на выходе преобра­зователя сообщения, часто бывает весьма слабым, и прежде чем использовать его для модуляции, он подвергается усилению в специальном каскаде (модуляторе), который на рис. 2 не изо­бражен.

Модуляционный каскад . Основными элементами модуля­ционного каскада являются электронная лампа, транзистор и колебательный контур. На вход каскада одновременно подаются высокочастот­ные колебания U вч = Umo COS (ω mt ) с выхода задающего генера­тора и модулирующий электрический сигнал U M(t), изменяющий­ся по закону передаваемого сообщения. В результате нелинейного преобразования подводимых к модуляционному каскаду колебаний U вч и U M(t) (осуществляемого посредством электронной лампы или транзистора) в выходном контуре данного каскада образуются амплитудно-модулированные колебания высокой частоты.

В модуляционном каскаде происходит также усиление мощности колебаний - поэтому его часто назы­вают просто усилителем мощности.

Выходной каскад (усилитель мощности). В передатчиках радиостанций с небольшой дальностью действия выходной каскад может отсутствовать, при этом модулированные колебания высокой частоты подводятся к антенне непосредственно с выхода модуляционного каскада, который и выполняет функцию усили­теля мощности. Однако в радиостанциях с большой дальностью действия к антенне должны подводиться модулированные колеба­ния большой мощности, для чего между модулирующим каскадом и антенной ставят каскады усиления мощности модулированных колебаний. Закон изменения амплитуды модулированных коле­баний при усилении мощности должен сохраняться.

Основными элементами усилителя мощности являются лампа, транзистор и колебательный контур.

Передающая антенна , предназначенная для возбуждения электромагнитных волн в пространстве. Колебания высокой частоты, полученные в усилителе мощности, подводятся к антен­не и создают в ней высокочастотный ток I а1 = I 1 M ( t ) COSω mt , амплитуда которого I 1 M ( t ) изменяется подобно амплитуде моду­лированных колебаний, подводимых к антенне. Ток I а1 является причиной, обусловливающей возбуждение в окружающем про­странстве распространяющегося электромагнитного поля

(элек­тромагнитных волн). Электромагнитное поле характеризуется взаимосвязанными электрической и магнитной составляющими E и H . Характер изменения напряженности электрического и маг­нитного полей во времени в некоторой точке пространства

определяется характером изменения тока в возбуждающей антенне. Поэтому в рассматриваемой точке пространства напряженность электрического (магнитного) поля будет иметь характер коле­баний высокой частоты, амплитуда которых изменяется по зако­ну передаваемого сообщения.

Радиоприемное устройство

Радиоприемное устройство предназначено для улавлива­ния части энергии электромагнитного поля (возбужденного в пространстве антенной передатчика), селекции сигналов при­нимаемой радиостанции, усиления принятых высокочастотных колебаний, восстановления полезного сигнала и его воспроизве­дения. В соответствии с этим приемное устройство содержит сле­дующие основные элементы (рис. 2).

Приемная антенна . Электромагнитное поле, достигая прием­ной антенны, возбуждает в ней э.д.с. eа1 , пропорциональную мгновенному значению напряженности электрического поля. Вследствие этого э.д.с. eа1 представляет собой модулирован­ные колебания высокой частоты eа1 = Е1 m (t )COS ω mt , где амплитуда Е1 m (t) изменяется во времени по закону переда­ваемого сообщения.

При одновременной работе нескольких передающих радио­станций приемная антенна подвергается действию электромаг­нитных полей, создаваемых каждой из радиостанций. Поэтому в антенне наводится одновременно несколько э.д.с., каждая из которых является модулированным высокочастотным колебанием, отличающимся от другого несущей частотой и законом модуляции (законом изменения амплитуды).

Входная цепь, предназначенная для селекции сигнала какой-либо одной (принимаемой) радиостанции из совокупно­сти всех сигналов, наведенных в антенне полями многих радио­станций. Основным элементом входной цепи является колеба­тельный контур. Для осуществления селекции используется свойство колебательного контура хорошо реагировать на коле­бания, частота которых близка к резонансной частоте кон­тура, определяемой его параметрами, и плохо реагировать на колебания с частотой, значительно отличающейся от резонанс­ной. Изменяя параметры контура (индуктивность или емкость), можно добиться того, чтобы его резонансная частота была равной одной из несущих частот э.д.с, наводимых в антенне. Если различие между несущими частотами достаточно велико, то при одновременном воздействии на кон­тур всех э.д.с. эффективной окажется только та э.д.с, частота которой равна резонансной частоте контура. В результате в контуре возникнут колебания, соот­ветствующие только принимаемой радиостанции; напряжение, снимаемое с контура, представляет высокочастотные колеба­ния, модулированные по амплитуде в соответствии с законом передаваемого сообщения:

U = U 1M(t )COS ω mt .

Усилитель колебаний высокой частоты . Величина э.д.с, на­веденной в антенне, и высокочастотного напряжения, снимаемого с контура входной цепи, весьма мала. Поэтому прежде чем про­изводить выделение полезного сигнала из колебаний высокой частоты, они подвергаются усилению в усилителях колебаний высокой частоты (УВЧ ).

Основными элементами УВЧ являются электронная лампа, транзистор (полупроводниковый триод) и колебательный контур. Благодаря колебательным контурам УВЧ так же, как и входная цепь, обла­дает селектирующими свойствами.

Детектор , предназначенный для восстановления из модулиро­ванных колебаний высокой частоты низкочастотного электриче­ского сигнала, пропорционального модулирующему напряже­нию и изменяющегося в соответствии с законом передавае­мого сообщения. Основным элементом детектора является электронная лампа или полупроводниковый прибор.

Усилитель напряжения низкой частоты предназначен для усиления весьма слабого низкочастотного сигнала, полученного на выходе детектора.

Основным элементом усилителя напряжения низкой частоты является электронная лампа или полупроводниковый триод.

Воспроизводящее устройство , предназначенное для такого преобразования усиленного низкочастотного сигнала, при кото­ром принятое сообщение воспроизводится в виде, удобном для регистрации. При передаче звуковых сигналов воспроизводящим устройством являются телефон, громкоговоритель; в телевизион­ных приемниках сообщение воспроизводится на экране приемной телевизионной трубки в виде светового изображения, при приеме данных о некоторой измеряемой величине принятое сообщение воспроизводится либо с помощью электроннолучевых трубок, либо с помощью специальных записывающих приборов.

Основные технические характеристики РПМ:

Чувствительность РПМ - минимальная величина входного сигнала, при котором обеспечивается нормальная работа оконечного устройства. В современных РПМ чувствительность составляет единицы микровольт.

Избирательность РПМ - способность принимать раздельно сигналы от соседних по частоте станций. Избирательность определяется шириной полосы пропускания РПМ.

Выходная мощность РПМ - максимально возможная неискаженная мощность усилителя звуковой частоты.

В зависимости от принципа построения различают РПМ детекторные, прямого усиления и супергетеродинного типа.

Структурная схема детекторного радиоприемника.

В РПМ прямого усиления принимаемый сигнал выбирается с помощью избирательного устройства ИУ (системы двух связанных колебательных контуров, которые выполняют функции полосового фильтра). На эту же частоту настраивается усилитель радиочастоты УРЧ. УРЧ служит для увеличения уровня сигнала, наводимого в антенне. Детектор Д выделяет из модулированного радиосигнала низкочастотную составляющую, содержащую сообщение. После усиления УЗЧ сигнал поступает на приемный терминал, формирующий сообщение (динамик, принтер). Несмотря на простоту технической реализации РПМ прямого усиления в настоящее время практически не используется. Основными его недостатками являются невысокая избирательность и чувствительность.

Супергетеродинный радиоприемник

Структурная схема РПМ супергетеродинного типа, который состоит из гетеродина и смесителя показана на рисунке ниже.

Гетеродин является генератором гармонических сигналов f г, частоту которого можно изменять. В Смесителе происходит смешение частот f с и f г, в результате чего получаются суммарная f + и разностная (промежуточная) f _ частоты: f + = f c + f г, f _ = f c - f г.(используется разностная частота f-, а суммарная частота f + фильтруется). Частота Гет изменяется при настройке РПМ на частоту f с одновременно с изменением частоты ИУ и УРЧ так, что f _ остается постоянной (в отечественных вещательных РПМ f _ = 465 кГц). Таким образом сигнал на произвольной частоте f c в РПМ супергетеродинного типа преобразуется в сигнал на постоянной промежуточной частоте. На эту промежуточную частоту настраивается колебательный контур усилителя промежуточной частоты УПЧ, в котором осуществляется основные селекция и усиление полезного сигнала. Так как частота колебательного контура не меняется, полоса пропускания и избирательность РПМ постоянны во всем частотном диапазоне.

ПАССИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Резистор.

Самым используемым элементом в радиотехнических устройствах является - резистор (старое название - сопротивление).

Резистор R (постоянный, регулируемый и подстроечный) - элемент электрической цепи, в котором происходит необратимое преобразование (потеря) электромагнитной энергии в тепловую, основная характеристика резистора - его электрическое сопротивление R, которое связывает величину напряжения U со значением тока I: U = I·R.

Основная характеристика резистора - сопротивление, измеряется в омах. Выпускается два вида резисторов: стабильные и общего назначения. Производство стабильных резисторов дорого и поэтому они используются в дорогой высокоточной аппаратуре.

Одной из основных характеристик является рассеваемая мощность. Рассеваемая мощность это мощность, которую резистор может рассеять без повреждения. Измеряется в ваттах. Находится по формуле P = I 2 · R .

У каждого вещества есть свое сопротивление. Сопротивление зависит от материала (у золота оно будет меньше чем у алюминия), от длинны проводника (зависимость прямая: чем длиннее тем больше сопротивление) и от площади среза проводника (чем площадь больше тем сопротивление меньше).

Обозначение постоянных резистроров на принципиальных схемах:

Резисторы, в особенности малой мощности - чрезвычайно мелкие детали, резистор мощностью 0,125Вт имеет длину несколько миллиметров и диаметр порядка миллиметра. Прочитать на такой детали номинал с десятичной запятой невозможно.

Поэтому, при указании номинала вместо десятичной точки пишут букву, соответствующую единицам измерения (К - для килоомов, М - для мегаомов, E или R для единиц Ом). Например 4K7 обозначает резистор, сопротивлением 4,7 кОм, 1R0 - 1 Ом, 120К - 120 кОм и т. д. Однако и в таком виде читать номиналы трудно. Поэтому, для особо мелких резисторов применяют маркировку цветными полосками. Для резисторов с точностью 20% используют маркировку с тремя полосками, для резисторов с точностью 10% и 5% маркировку с четырьмя полосками, для более точных резисторов с пятью или шестью полосками.

Существуют так же и переменные резисторы, обладающие способностью изменять свое сопротивление. Их применяют для изменения тока, напряжения и др. (например: изменение громкости и тембра). Чаще всего на принципиальной схеме отображаются так: Переменные резисторы бывают: 1) одинарные и сдвоенные 2) одно и многооборотные 3) с выключателем и без него

По характеру изменения сопротивления: 1) Линейные т. е. Пропорционально углу поворота оси (группа А) 2) Обратно логарифмической (группа Б) 3) Логарифмические (группа В) Бывают проволочные и не проволочные (пленочные) переменные резисторы. Проволочные отличаются высокой стабильностью, сравнительно малым уровнем своих шумов и низким ТКС.

Для построения предающей части предварительно рассмотрим особенности формирование сигнала в прямом (с узла 1) и обратном (с узла 2) каналах системы CDMA.

Особенности формирования прямого и обратного каналов

Прямой канал . Формирование сигнала в системе CDMA начинается с преобразования аналогового речевого сигнала (в передающем узле 1) в цифровой сигнал, для чего используется вокодер с переменной скоростью кодирования, в основу работы которого положен алгоритм, который учитывает особенности человеческой речи. Вокодер перекодирует цифровой поток, имеющий скорость 64 кбит/с в поток со скоростью 8 или 13 кбит/с. В ходе этого преобразования информационный поток делится на кадры длиной 20мс, а содержащие паузы интервалы удаляются. Результирующий поток имеет скорость от 1 до 8 кбит/с.

Другой важной особенностью вокодера с переменной скоростью кодирования является использование адаптивного порога для определения требуемой скорости кодирования данных. Уровень порога изменяется в соответствии с фоновым шумом, в результате улучшается качество речи.

После вокодера сигнал попадает в устройство сверточного кодирования, которое позволяет исправлять до трех ошибок в пакете данных.

С устройства сверточного кодирования поток, имеющий скорость 19,2 кбит/с, попадает на устройство перемежения, где перемешиваются во временном интервале 20 мс. Это делается для того, чтобы равномерно распределить в потоке данных потерянные во время передачи биты и устранить пачки ошибок в эфире. Принцип такой - поток данных записывается в матрицу по строкам. Как только матрица заполнена, начинаем с нее передавать информацию по столбцам. Следовательно, когда в эфире искажаются несколько бит информации, при приеме пачка ошибок, пройдя через обратную матрицу, преобразуется в одиночные ошибки.

После перемежения цифровой поток преобразуется с помощью длинного кода (кодами максимальной длины), который могут быть получены с помощью регистра сдвига и равен 2n -1 двоичных символов, где n - число разрядов регистра сдвига. В аппаратуре CDMA длинный код формируется в результате нескольких логических операций с псевдослучайной двоичной последовательностью, генерируемой в 42 - разрядном регистре сдвига, и двоичной 32 - битовой маской, которая определяется индивидуально для каждого абонента. Такой регистр сдвига применяется во всех базовых станциях этого стандарта для обеспечения режима синхронизации всей сети. Так как скорость информационного потока 19,2 кбит/с, то в прямом канале используется только каждый 64 - й символ длинного кода.

Следующий этап, это кодирование сообщения с помощью кодов Уолша. Это самая важная часть, поскольку именно она обеспечивает разделение 64 каналов CDMA на одном участке частоты. Один ряд матрицы Уолша ставится в соответствие каналу связи между абонентом и БС. Если на входе кодера «0», то посылается соответствующий ряд матрицы (код Уолша), если «1» -посылается последовательность, сформированная путем логического отрицания соответствующего ряда матрицы (кода Уолша). Это повышает скорость информационного потока с 19,2 кбит/с до 1,2286 Мбит/с. Соответственно расширяется и спектр сигнала до 1,22886 МГц.

Далее двоичный поток разделяется на синфазный и квадратурный каналы (I- и Q-канал) для передачи сигнала с использованием квадратурной фазовой манипуляции (QPSK). До подачи на смесители цифровой поток в каждом из каналов преобразуется с помощью короткого кода. Короткий код представляет собой псевдослучайную двоичную последовательность длиной 32768 двоичных символов, генерируемую со скоростью 1,3288 Мбит/с. Эта последовательность является общей для всех базовых станций в корпоративной сети. Короткий код формируется в 15-разрядном регистре сдвига. Результирующий двоичный поток в каждом канале проходит через цифровой фильтр с конечной импульсной характеристикой (КИХ- фильтр), что позволяет ограничить полосу излучаемого сигнала. Частота среза фильтра составляет около 615 кГц. Полученные аналоговые сигналы поступают на соответствующие входы I/Q-модулятора.

Поскольку все пользователи (узел 2, узел 3 и т.д.) получают объединенный сигнал, то для выделения информации необходимо передавать опорный сигнал по пилотному каналу . В пилотном канале передается нулевой информационный сигнал, а его код Уолша формируется из нулевого ряда матрицы Уолша. Обычно на пилотном канале излучается около 20% общей мощности. Опорный сигнал необходим для последующей фазовой демодуляции. Короткий код позволяет многократно использовать в каждой ячейке один и тот же набор кодов Уолша. Каждая БС имеет свой временной сдвиг при формировании кода и поэтому может быть однозначно определена в сети. Описав основную часть формирования сигнала в передающей части CDMA, на рис. 2.1 отобразим описанную выше схему формирования сигнала в прямом канале узла 1.

Рисунок 1.1 - Формирование сигнала в прямом канале

Обратный канал. В узле 2 применяется такой же, как и в прямом канале, вокодер и сверточное кодирование со скоростью 1/3, что повышает скорость передачи данных с 9,6 до 28,8 кбит/с, и перемежение в пакете длительностью 20 мс (рис.2.2).

Рисунок 1.2 - Формирование сигнала в обратном канале

После перемежения выходной поток разбивается на слова (по шесть бит в каждом), которым слову можно поставить в соответствие один из 64 кодов Уолша. Таким образом, каждый приемный узел корпоративной системы использует весь их набор. После этой операции скорость потока данных повышается до 307,2 кбит/с. Далее поток преобразуется с помощью длинного кода, аналогичного используемому коду передающего узла 1. На этом этапе происходит разделение пользователей.

Окончательное формирование потоков данных происходит таким же образом, как и в узле 1, за исключением дополнительного элемента задержки на 1/2 длительности символа в 0-канале для реализации смещенной QPSK.

Рассмотрим основные схемы передатчиков, используемых в системах связи, на основе стандарта CDMA.

Архитектура интегральных схем тракта передачи отличается у различных производителей. Поэтому при проектировании передатчика важнейшим является учет типа используемой модуляции. Методы модуляции могут быть разделены на две группы: методы модуляции с постоянной огибающей (constant envelope) и с изменяющейся огибающей (variable envelope). Первая группа методов имеет постоянную амплитуду промодулированного сигнала. Примером такой модуляции является GFSK сигнал - гауссовская частотная манипуляция (Gaussian filtered frequency shift keying). Сигналы с постоянной огибающей более эффективны в энергетическом плане.

У сигналов с изменяющейся огибающей типа квадратурной фазовой манипуляции QPSK (quadrature phase shift keying) происходит вариация и амплитуды и фазы, что приводит к необходимости использования на выходе передатчика высоколинейного усилителя мощности. Они энергетически не очень эффективны.

В последнее время появились новые разновидности архитектур передатчиков. Наиболее распространенные разновидности рассмотрены далее.

Квадратурные модуляторы

Квадратурный модулятор (Quadrature Modulator) или I/Q (In-phase/quadrature) модулятор (рис. 2.2) представляет собой универсальное устройство, с помощью которого могут быть получены сигналы практически со всеми видами модуляции. Это устройство имеет РЧ вход и РЧ выход и два информационных входа I и Q. РЧ сигнал может быть изображен в декартовых координатах как величины векторов X и Y. В терминологии цифровых сигналов, вектор X заменяется на синфазный I (In-phase), а вектор Y заменяется на квадратурный Q (Quadrature), отсюда следует название I/Q модулятор/демодулятор.

На модуляционные IQ входы квадратурных модуляторов с информационного тракта поступают две информационные последовательности. Они формируются в цифровых узлах из исходного информационного потока с помощью последовательно-параллельного преобразования.

Квадратурные опорные сигналы получаются при использовании фазосдвигающего узла, формирующего два опорных ортогональных сигнала со сдвигом фазы на 90 градусов.

Рисунок 1.3 - Структура квадратурного модулятора

Фаза выходного сигнала перемножителя в канале I может иметь значения 0 или 180, в канале Q - 90 или 270 градусов. После суммирования этих сигналов на выходе модулятора может быть получен модулированный сигнал с требуемыми параметрами.

Тракт передачи с прямой квадратурной модуляцией

Блок с прямой квадратурной модуляцией (Direct quadrature modulation) (рис. 1.3) непосредственно выполняет преобразование сигнала вверх по частоте на радиочастоту рабочего канала.

Рисунок 1.4 - Структура блока с прямой квадратурной модуляцией

Конструктивно в таком тракте передачи используются два радиочастотных перемножителя сигналов и петля ФАПЧ с перестраиваемым РЧ гетеродином (генератор, управляемый напряжением - ГУН). При этом достигается высокая степень интеграции радиочастотного блока, так как подавление зеркального канала проводится в активных каскадах с использованием фазовых методов. Побочные составляющие на выходе передатчика, связанные с формированием промежуточной частоты, отсутствуют в силу отсутствия в передатчике самой ПЧ.

В данной архитектуре, по сравнению с непрямой модуляцией, используется меньшее количество компонентов, но применение двух перемножителей, работающих на высоких канальных частотах, может привести к значительному увеличению тока, потребляемого радиочастотным блоком. Трудность обеспечения точного сдвига фазы в квадратурных каналах на высоких частотах ведет к недостаточному подавлению сигнала зеркального канала.

Достоинствами схемы с прямой модуляцией на РЧ являются: простота, больший динамический диапазон передатчика по сравнению с передатчиком, выполненным с трактом преобразования частоты, уменьшение энергопотребления, уменьшение массогабаритных показателей устройства из-за отсутствия фильтров ПЧ, смесителей.

Чтобы уменьшать эффект затягивания частоты гетеродина, используется ряд технических решений:

• § формирование сигнала гетеродина с помощью сдвига по частоте (путем смешения с сигналом второго гетеродина);
• § удвоение частоты гетеродина;
• § деление частоты гетеродина;
• § дробное деление и умножение с использованием регенеративного смесителя;
• § использование широкополосной системы ФАПЧ.

Передатчики с двойным преобразованием частоты

В передатчиках с двойным преобразованием частоты модулятор выполняет модуляцию и преобразование сигнала вверх по частоте на фиксированную частоту ПЧ. Сигнал фильтруется с помощью фильтра нижних частот (ФНЧ). Смеситель с преобразованием вверх по частоте выполняет преобразование на РЧ частоту рабочего канала. Так как на выходе второго смесителя генерируется две боковые полосы, внешний фильтр после смесителя отфильтровывает нежелательную боковую. Затем сигнал усиливается и подается на выход для передачи.

Во многих передатчиках систем CDMA используется двухступенчатый принцип построения передатчика. Необходимость использования внешнего полосового фильтра для осуществления хорошего подавления побочных составляющих не позволяет достигать основной цели разработчиков - выполнения радиочастотного блока в виде полностью интегрированного узла. По сравнению с прямым преобразованием, использование этого подхода создает меньше проблем, но требует добавления фильтров в тракт РЧ и ПЧ. Для подавления уровня широкополосного шума и более высоких гармоник ПЧ, сгенерированных квадратурным I/Q модулятором, необходим фильтр промежуточной частоты. Трудность в реализации фильтра нижних частот высокого порядка между каскадами ПЧ и РЧ может приводить к недостаточному подавлению побочных сигналов, являющихся гармониками ПЧ. Другой проблемой при использовании двухступенчатого построения передатчика является формирование гетеродинных частот для первого и второго преобразований сигнала вверх по частоте. По сравнению с архитектурой прямого преобразования в данной структуре должен быть сгенерирован дополнительный гетеродинный сигнал.

Передатчик с квадратурным модулятором внутри петли

обратной связи

Вариант построения передатчика с обратной связью, которая включает квадратурный модулятор, показан на рис. 2.5.

Рисунок 2.5 - Передатчик с квадратурным модулятором внутри петли обратной связи

При таком построении используется I/Q модулятор, смеситель с понижением частоты, фазовый детектор с генератором тока на выходе, два программируемых делителя частоты, петлевой фильтр и ГУН.

Преимущество этой схемы в том, что программируемые делители обеспечивают дополнительную гибкость в частотном планировании.

Передатчики с цифровой промежуточной частотой

Развитие техники и технологии цифровых интегральных схем привело к тому, что такие преобразования сигнала, как модуляция, перенос по частоте и фильтрация, осуществляемые в каскадах промежуточной частоты, могут проводиться в цифровой области. В каскадах с цифровой ПЧ происходит оцифровывание сигнала промежуточной частоты (рис. 2.6). В качестве ПЧ гетеродина используется прямой цифровой синтезатор (ПЦС) частот DDS (Direct Digital frequency Synthesizer), называемый иногда генератором с программным или цифровым управлением. Генератор формирует цифровые выборки двух синусоидальных сигналов с точным сдвигом по фазе на 90 градусов, создавая сигналы косинуса и синуса.

Рисунок 2.6 - Тракт передачи с использованием цифрового квадратурного модулятора

Важно иметь в виду, что интенсивность формирования выходных выборок синусоиды всегда определяется опорной частотой fs , независимо от генерируемой частоты. Номинал выходной частоты изменяется путем изменения величины приращения фазы на выборку (phase advance per sample). Малое приращение фазы на выборку соответствует низким частотам, большое приращение - высоким частотам. Величина приращения фазы на выборку прямо пропорциональна выходной частоте и программируется от 0 до fs /2.

Прежде всего о видах ведения радиосвязи. Различают два вида ведения двусторонней связи: дуплексную и симплексную. При дуплексной связи радисты могут работать» на передачу и прием одновременно и независимо друг от друга. Если принимающий что-то не понял, например из-за какой-то помехи, он, воспользовавшись кратковременной паузой, может перебить работу передающего, чтобы уточнить содержание сообщения. Для такого вида связи радисты должны располагать двумя приемопередающими станциями или раздельно передатчиком и приемником, работающими независимо один от другого. При симплексной связи радисты работают на передачу и прием поочередно: один передает, а другой в это время принимает, затем, наоборот, второй передает, а первый принимает. При таком виде связи перебой радиста, работающего на передачу, исключен.

Рис. 405. Схема радиосвязи: а - по радионаправлению; б - в радиосети

Все приемопередающие станции, построенные по трансиверной схеме, рассчитаны на ведение только симплексной связи.

Независимо от вида ведения связи существуют два основных способа организации двусторонних радиосвязей - по радионаправлению и в радиосети.

Схема связи по радионаправлению, т. е. в каком-то одном направлении, показана на рис. 405, а. В этом случае два радиста этого радионаправления работают только между собой. При таком способе связь может быть весьма устойчивой и к тому же дуплексной. Поскольку радистам сообщается направление линии связи, они могут применять антенны направленного действия, увеличивающие дальность и надежность связи.

Связь в радиосети - связь между тремя и более радистами (рис. 405,б). Для каждой радиостанции выделяется рабочая частота, обычно общая для всех станций данной радиосети, и запасная - рабочая частота, на которую перестраивают станции в случае появления помех или неустойчивой связи на первой выделенной частоте. Среди них есть главная станция, которая устанавливает порядок работы в радиосети. Как правило, связь ведется поочередно между парой радиостанций, а другие станции сети в это время переключены на прием. Четкость, внимательность и дисциплина радистов - гарантия слаженной работы в радиосети. Иначе связь может быть нарушена из-за взаимных помех.

Можно ли маломощными станциями создать линию связи, длина которой значительно превышает их «дальнобойность». Можно. Как? С помощью пункта ретрансляции (рис. 406) - промежуточного пункта, где ведется прием от одной станции, усиление и последующая передача сигналов к другой станции радиолинии связи, но уже на другой частоте.

Рис. 406. Пункт ретрансляции

Для такого промежуточного пункта используются две радиостанции, соединенные между собой проводной линией связи, а при ретрансляции в дуплексном режиме - два приемника и два передатчика.

А если пункт ретрансляции разместить в вертолете? Протяженность линии связи между ее конечными радиостанциями может быть многократно увеличена.

Дальность, устойчивость и качество радиосвязи зависят от того, как размещены радиостанции и их антенны. В городах и других крупных населенных пунктах дальность радиосвязи, и особенно на УКВ, уменьшается по сравнению с радиосвязью между станциями в полевых условиях. А если радиостанция с антенной окажется в подвале, под мостом, в канализационном коридоре, то радиосвязь вообще может пропасть из-за поглощения электромагнитной энергии земляными укрытиями, железобетонными конструкциями. Вот почему опытный радист старается разместить свою УКВ станцию или ее антенну, соединенную с приемопередатчиком фидером, на возвышении, например на чердаке здания, на крыше, и возможно дальше от глухих стен и железобетонных перекрытий. Связь становится лучше! В лесисто-болотистой местности радисты развертывают свои станции на опушках леса, в мелколесье, на полянах, избегая влияния на распространение радиоволн влажных стволов деревьев.

Рис. 407. Развертывание УКВ радиостанции в гористой местности

В таких условиях хорошо удлинить штыревую антенну и поднять ее выше деревьев.

В гористой местности УКВ радиостанции развертывают на возвышенностях (рис. 407), чтобы антенны станций «видели» друг друга. Однако если УКВ станции будут развернуты вблизи горы или за горой, закрывающей корреспондента, связь может быть нарушена. Если радиосвязь устанавливают через замерзшее озеро, реку или другой водоем с пресной водой, УКВ радиостанции располагают не на льду водоема, а подальше от берега на возвышенности.

Что представляет собой лучевая антенна, обладающая направленностью излучения и приема радиоволн? Это провод длиной около , натянутый на изоляторах над землей, один конец которого подключен к приемопередатчику (рис. 408). К другому концу провода через нагрузочный резистор сопротивлением около 400 Ом присоединяют противовес - несколько отрезков провода длиной, равной примерно четверти длины рабочей волны радиостанции. Провод такой антенны с помощью колышков, входящих в комплект радиостанции, подвешивают горизонтально над землей на высоте . При этом ось провода антенны должна совпадать с направлением на корреспондента и «смотреть» на него нагрузочным резистором с противовесом. В этом направлении антенна и излучает большую часть электромагнитной энергии и много лучше чем с других направлений принимает радиоволны. Такую антенну хорошо использовать, когда радисту приходится работать в блиндаже, подвале, окопе или другом укрытии.

Рис. 408. Лучевая антенна

Точно так же можно вынести из укрытия и штыревую антенну, соединив ее с приемопередатчиком высокочастотным кабелем. Но по эффективности работы штыревая антенна уступает лучевой.

Для связи на большие расстояния в диапазоне УКВ может быть создана радиорелейная линия связи.

Может возникнуть вопрос, нельзя ли для того, чтобы передать с помощью радиоволн человеческую речь, звуковые колебания превратить в электрические колебания, а последние с помощью антенны преобразовать в электромагнитные волны, чтобы затем в приемном пункте эти электромагнитные волны снова преобразовать в звуковые?

Колебания, создаваемые голосом, являются колебаниями низких частот, лежащих обычно в пределах от 75 до 3 000 Гц. Используя формулу (1-3), легко показать, что такие колебания создадут волны с длиной от 4000 до 100 км. Антенны же могут эффективно излучать электро-1 магнитные колебания только тогда, когда их размеры соизмеримы с длиной волны. Поэтому передача колебаний с такими длинами волн оказывается практически невозможной.

Если учесть, что можно построить антенны с размерами, не превышающими несколько сот метров, то становится ясным, что для радиосвязи можно использовать волны, длина которых не превышает нескольких километров. Такие электромагнитные волны создаются колебаниями с частотами, во много раз превышающими частоты звуковых колебаний. Для передачи с их помощью колебаний звуковой частоты или условных сигналов изменяют амплитуду, частоту или фазу тока высокой частоты в соответствии с законом передаваемого колебания звуковой частоты или создают по определенному коду перерывы в передаче. Изменение амплитуды, фазы или частоты тока или введение в передачу перерывов по определенной программе называется модуляцией.

На рисунке приведены графики передаваемого звукового сигнала и амплитудно-модулированных колебаний, которые получаются в том случае, когда по закону передаваемого сигнала изменяется амплитуда высокочастотных колебаний.

Амплитудно-модулированные колебания

Таким образом, всякое радиопередающее устройство должно состоять из трех основных элементов: генератора переменной э. д. с, прибора, в котором происходит модуляция, и антенны.

В приемном пункте должно находиться устройство, преобразующее энергию электромагнитных волн в энергию электрических колебаний, т. е. приемная антенна. К антенне, расположенной в приемном пункте, приходят электромагнитные волны, излучаемые разными передатчиками, работающими на различных частотах. Для того чтобы принимать сигналы только одной станции, необходимо иметь избирательное устройство, которое могло бы выделить из колебаний различных частот только те колебания, которые передаются нужной радиостанцией. Для решения этой задачи используются контуры, настраиваемые на частоту принимаемой радиостанции.

Выделенные с помощью контура высокочастотные колебания нужно подвергнуть обратному преобразованию, т. е. получить из них токи или напряжения, изменяющиеся в соответствии с законом модуляции колебаний в передатчике. Для решения этой задачи приемник должен иметь специальное устройство, которое называют детектором.

Наконец, выделенный сигнал нужно подать на некоторое оконечное устройство, которое запишет его или позволит человеку воспринимать его в виде звука или света.

Следовательно, радиоприемное устройство должно содержать в себе обязательно антенну, избирательное устройство, детектор и оконечное устройство.

Таким образом, структурная схема радиосвязи имеет

вид, изображенный на рисунке.

Структурная схема линии радиосвязи.

Структурная схема передающей части радиолинии изображена в приложении 1. На вход коммутатора поступают N=6 передаваемых сообщений. С помощью АЦП они преобразуются в цифровой код. Преобразователь кода ПК служит для преобразования кода в последовательный. Схема синхронизации управляет работой предающей части и вырабатывает следующие сигналы:

1) Сигналы управления коммутатором. Эти сигналы имеют частоту повторения определяемую верхней частотой спектра передаваемых сообщений.

2) Сигналы управления АЦП.

3) Сигналы управления преобразователем кода ПК.

4) Сигнал кадровой синхронизации. В данном случае в качестве сигнала синхронизации используется 7 разрядная m - последовательность.

С помощью сумматора формируется групповой сигнал на видеочастоте. В групповом сигнале символы следуют с тактовой частотой, которая определяется задающим тактовым генератором системы синхронизации. Сигнал на поднесущей частоте модулирует по фазе колебание на несущей частоте

Описание функциональной схемы приемника

Структурная схема приемной части радиолинии изображена в приложении 2. В высокочастотной части происходит перенос несущей частоты на промежуточную. Далее КИМ-ФМ сигнал проходит через фазовый детектор. Умножитель частоты, узкополосный резонансный фильтр (УРФ), делитель частоты и фазовращатель(ФВ) образуют схему формирования опорного напряжения. ФВ необходим для компенсации возникающих в схеме дополнительных фазовых сдвигов. Управляет работой приемной части радиолинии система посимвольной синхронизации. Ее цель выработать периодическую последовательность импульсов с тактовой частотой. На выходе фазового детоктора(ФД1) формируется последовательность импульсов фронты которых жестко привязаны к моментам перескока фазы ФМ сигнала. Для слежения за тактовой частотой используется кольцо ФАП. Сигнал с выхода ФД2 является синхронизирующим для местного тактового генератора(МТГ), который вырабатывает меандр тактовой синхронизации. МТГ синхронизирует работу схемы формирования стробирующих импульсов. Эти импульсы на ряду с последовательностью с ФД поступают на решающее устройство РУ, которое выдает решение о приходе бита лишь в момент стробирования. На основе импульсов с РУ формируется сигнал КИМ на выходе формирователя импульсов ФИ. Далее КИМ-сигнал поступает на дешифратор канальной m-последовательности и на ключи, которые открываются лишь по импульсу в соответствующем дешифраторе(ДШ). Таким образом исключается попадание информации в другой канал. Формирователь импульсов(ФИ) формирует импульсы заданной амплитуды и длительности. С выхода ФИ снимается поток решений о символах, представляющий собой поток элементарных символов. Распределитель каналов содержит 6 дешифратора, 6 ключей, 6 схем ЦАП преобразующих приходящую цифровую последовательность в аналоговый сигнал. Распределитель каналов обеспечивает распределение принимаемой информации по потребителям. Работа ЦАП начинается по сигналу пересчетной схемы, которая отсчитывает 10 бит информации, счетчик сбрасывается сигналом с ДШ. В качестве канального дешифратора используется фильтр, согласованный с канальной m-последовательностью.

Описание функциональной схемы сихронизатора приемника.

Теперь рассмотрим более подробно систему выделения сихрослова, которая представлена дешифраторами в схеме приемника. Синхронизация кадров осуществляется следующим образом: Входная двоичная последовательность поступает с тактовой частотой в верхний регистр сдвига. В исходном состоянии ключ К2 разомкнут. После записи в регистр очередного символа К1 замыкается, а К2 размыкается. Верхний и нижний регистры начинают тактироваться с частотой mfт. После m тактов регистры возвращаются в исходное состояние. Если показания счетчика превышают некоторую заданную величину, то принимается решение о том, что найден момент времени соответствующий окончанию синхрослова. Эти моменты времени могут использоваться для подстройки местного генератора, который вырабатывает сигнал с частотой кадров или используется непосредственно.