Принципы ведения радиосвязи. Канал и линия радиосвязи

ЛикБез > О Радиосвязи

Общие схемы организации радиосвязи

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

По способу организации радиолиний различают одностороннюю и двустороннюю радиосвязь. Радиосвязь, при которой одна из ра­диолиний осуществляет только передачу, а другая - только прием, называется односторонней. Односторонняя радиосвязь, при кото­рой радиопередачу одной (основной) радиостанции могут прини­мать одновременно несколько корреспондентов, называется цирку­лярной. Примерами односторонней циркулярной передачи сообще­ний являются системы оповещения, службы передачи сообщений из пресс-центров редакциям газет, журналов и т.д. Сети телевизионно­го и звукового вещания также представляют собой типичные образ­цы циркулярного способа организации радиосвязи. При этом радио­передающая станция, среда распространения радиосигналов (от­крытое пространство) и каждое радиоприемное устройство, нахо­дящееся в зоне действия станции, образуют одностороннюю радио­линию, а совокупность таких радиолиний - сеть радиовещания.

Двусторонняя радиосвязь предполагает возможность передачи и приема информации каждой радиостанцией. Для этого нужны два комплекта оборудования односторонней связи, т.е. в каждом пункте надо иметь и передатчик и приемник. Двусторонняя связь может быть симплексной и дуплексной (рис. 1). При симплексной радио­связи передача и прием на каждой радиостанции ведутся пооче­редно. Радиопередатчики в конечных пунктах линии связи в этом случае работают на одинаковой частоте, на ту же частоту настрое­ны и приемники.

Рис.1 Функциональные схемы организации двусторонней радиосвязи: а-симплексная радиосвязь, б-дуплексная связь

При дуплексной радиосвязи радиопередача осуществляется од­новременно с приемом. Для каждой дуплексной линии радиосвязи должны быть выделены две разные частоты. Это делается для то­го, чтобы приемник принимал сигналы только от передатчика с про­тивоположного пункта и не принимал сигналы собственного радио­передатчика. Радиопередатчики и радиоприемники обоих коррес­пондентов дуплексной радиосвязи включены в течение всего вре­мени работы линии радиосвязи.

Симплексная связь используется, как правило, при наличии от­носительно небольших информационных потоков. Для систем пе­редачи с большой информационной нагрузкой характерна дуплекс­ная связь.

Если необходимо иметь радиосвязь с большим числом коррес­пондентов, то организуется радиосеть (рис. 2). В этом случае одна радиостанция, называемая главной, может передавать сообщения как для одного, так и для нескольких подчиненных корреспондентов. Ее радист-оператор контролирует режим работы в радиосети и непо­средственно устанавливает очередность на передачу подчиненных станций. Последние при соответствующем разрешении могут обме­ниваться информацией не только с главной радиостанцией, но и ме­жду собой. Этот вариант организации радиосети может быть постро­ен на основе как сложного симплекса (см. рис. 2, а), так и сложного дуплекса (см. рис. 2, б). В первом случае возможно использование радиостанций (радиопередатчиков), работающих на одной (общей) радиоволне (частоте). Во втором» случае главная радиостанция ведет передачу на одной частоте, а принимает на нескольких (по числу подчиненных радиостанций).

Рис.2 Функциональные схемы организации радиосети: а-сложный симплекс, б-сложный дуплекс

Любая радиолиния передачи информации (связная, звукового или телевизионного вещания) содержит на концах радиопередающие и радиоприемные устройства, снабженные антеннами. Передающая антенна излучает электрический сигнал передатчика в виде радио­волны. Приемная антенна улавливает радиоволну, и с ее выхода электрический сигнал поступает на вход приемника. Линии передачи электромагнитной энергии, соединяющие антенну с радиопередатчи­ком или с приемником, называются фидерами. Антенно-фидерные устройства - очень важные элементы линии радиосвязи. На практике очень часто применяются антенны, обладающие направленным дей­ствием. При передаче направленная антенна излучает энергию ра­диоволн в определенном направлении. Чем больше направленность антенны, тем при меньшей мощности передатчика возможна радио­связь. Приемные направленные антенны увеличивают отношение сигнал-помеха на входе приемного устройства, что также позволяет уменьшить необходимую мощность радиопередатчика.

Успешная работа радиолиний зависит не только от конструктив­ных особенностей и качества изготовления радиоаппаратуры. При сооружении и эксплуатации радиолиний необходимо учитывать особенности распространения радиоволн на пути от передающей до приемной антенны. Эти особенности различны в зависимости от диапазона частот. Деление радиоволн на диапазоны в соответствии с Регламентом радиосвязи приведено в табл. 1. Радиоволны на радиолиниях распространяются в естественных условиях, а эти ус­ловия разнообразны и непостоянны. Прежде всего необходимо учитывать, что Земля круглая. На пути от передающей до приемной антенны радиоволны должны обогнуть выпуклость Земли.

Таблица 1. Классификация деления радиоволн на диапазоны

Сами по себе электромагнитные колебания информации не несут. Для передачи информации необходимо на электромагнитные коле­бания наложить отпечаток сообщения, т.е. использовать высокочас­тотные электромагнитные колебания лишь в роли переносчика со­общения, содержащего информацию. С этой целью нужно изменять один или несколько параметров несущего колебания (например, ам­плитуду, частоту, фазу и другие параметры) в соответствии с изме­нениями сообщения. Тогда получается высокочастотное колебание с меняющимися во времени параметрами по закону передаваемого сообщения. Рассмотренный процесс называется модуляцией.

Таким образом, всякое радиопередающее устройство должно состоять из генератора электрических колебаний, подключенного к передающей антенне, и модулятора, с помощью которого осуще­ствляется модуляция.

В приемном пункте должно находиться устройство, преобразую­щее энергию электромагнитных волн в энергию электрических ко­лебаний, т.е. приемная антенна. Антенна улавливает электромаг­нитные волны, излучаемые разными передатчиками, работающими на различных частотах. Чтобы принимать сигналы только одной станции, необходимо иметь избирательное устройство, способное выделить из колебаний различных частот только те колебания, ко­торые передаются нужной радиостанцией. Для решения этой зада­чи используются электрические колебательные контуры, настраи­ваемые на частоту принимаемой радиостанции.

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

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

Рассмотрим структуру радиосвязи (рис. 2.15).

Микрофон (М) преобразует звуковые колебания речи в электрические колебания тока звуковой (низкой) частоты. Одним из основных блоков радиопередатчика является задающий генератор (ЗГ) (или генератор высокой частоты), преобразующий энергию постоянного тока (специального источника питания) в энергию колебания токов высокой частоты (ВЧ). Усиленный в усилителе низкой частоты (УНЧ) ток звуковой частоты поступает на модулятор (Мод), воздействуя на один из параметров (амплитуду, частоту или фазу) тока высокой частоты. Вырабатываемого задающим генератором. В результате в антенну передатчика подаются токи высокой частоты (радиочастоты), изменяющиеся по амплитуде, частоте или фазе в соответствии с передаваемыми звуковыми колебаниями (передаваемыми первоначальным сообщением). Процесс воздействия на один из параметров ВЧ-сигнала по закону изменения передаваемого первоначального сообщения называется модуляцией , соответственно амплитудной, частотной или фазовой.

Рисунок 2.15 – Структурная схема радиосвязи

Токи высокой частоты, проходя по антенне передатчика, образуют вокруг нее электромагнитное поле. Электромагнитные волны (радиоволны) отделяются от антенны и распространяются в пространстве со скоростью 300000 км/с.

В приемной антенне радиоволнами (электромагнитным полем) наводится ЭДС радиочастоты, создающая модулированный ток ВЧ, который в точности повторяет все изменения тока в передающей антенне. Токи высокой частоты от приемной антенны по фидерной линии передаются на избирательный усилитель высокой частоты (УВЧ). Избирательность обеспечивается резонансным контуром, чаще всего состоящим из параллельно включенных катушки индуктивности и конденсатора, образующих параллельный колебательный контур, имеющий резонанс тока на частоте электромагнитных колебаний, передаваемых передатчиком. К передатчикам радиостанций, работающих на других частотах, данный радиоприемник практически не чувствителен.

Усиленный сигнал подается на детектор (Дет), преобразующий принятые сигналы ВЧ в токи звуковых колебаний, изменяющиеся подобно токам звуковой частоты, создаваемым микрофоном на передающем пункте. Такое преобразование называется детектированием (демодуляцией). Полученный после детектирования ток звуковой или низкой частоты (НЧ) обычно еще усиливается в УНЧ и передается на громкоговоритель (динамик или наушники), который преобразует этот ток НЧ в звуковые колебания.

Радиосвязь бывает одно- и двухсторонней. При односторонней радиосвязи одна из радиостанций осуществляет только передачу, а другая (или другие) – только прием. При двухсторонней радиосвязи радиостанции осуществляют одновременно передачу и прием.

Симплексная радиосвязь – это двухсторонняя радиосвязь, при которой каждый абонент ведет только передачу или только прием поочередно, выключая свой передатчик на время приема (рис. 2.16). Для симплексной связи достаточно одной радиочастоты (одночастотная симплексная радиосвязь). Каждая радиостанция имеет одну антенну, которая при приеме и передаче переключается соответственно на вход радиоприемника или на вход радиопередатчика.

Рисунок 2.16 – Структурная схема симплексной радиосвязи

Симплексная радиосвязь обычно используется при наличии относительно небольших информационных потоков. Для радиосетей с большой нагрузкой характерна дуплексная связь.

Дуплексная радиосвязь – это двухсторонняя радиосвязь, при которой прием и передача ведутся одновременно. Для дуплексной радиосвязи требуются две разные несущие частоты, а передатчики и приемники должны иметь свои антенны (рис. 2.17). Кроме того, на входе каждого приемника устанавливают специальный фильтр (дуплексер ), не пропускающий колебаний радиочастоты собственного передатчика. Достоинствами дуплексной радиосвязи являются ее высокая оперативность и пропускная способность радиосети.

Рисунок 2.17 – Структурная схема дуплексной радиосвязи

Радиосвязь имеет следующие преимущества перед проводной связью:

Ø быстрое развертывание на любой местности и в любых условиях;

Ø высокая оперативность и живучесть радиосвязи;

Ø возможность передачи различных сообщений любому количеству абонентов циркулярно, избирательно или группе абонентов;

Ø возможность связи с подвижными объектами.

Радиопередающие устройства

В функциональном смысле под радиопередающим устройством понимается комплекс оборудования, предназначенный для формирования и излучения радиочастотного сигнала (радиосигнала). В качестве функциональных узлов в состав радиопередатчика входят генератор несущей и модулятор. Кроме того, радиопередающие устройства (особенно мощные) содержат много другого оборудования: источники питания, средства охлаждения, автоматического и дистанционного управления, сигнализации, защиты и блокировки и пр.

Основные показатели радиопередающих устройств условно могут быть разделены на 2 группы: энергетические и показатели электромагнитной совместимости.

Важнейшими энергетическими показателями радиопередающего устройства являются номинальная мощность и промышленный коэффициент полезного действия. Под номинальной мощностью (Р) понимают среднее за период радиочастотного колебания значение энергии, подводимой к антенне. Промышленный коэффициент полезного действия (КПД) представляет собой отношение номинальной мощности Р к общей Р общ, потребляемой от сети переменного тока радиопередающим устройством: η = Р/Р общ · 100% .

Основными показателями электромагнитной совместимости являются диапазон рабочих частот, нестабильность частоты колебаний и внеполосные излучения.

Диапазоном рабочих частот называют полосу частот, в которой радиопередающее устройство обеспечивает работу в соответствии с требованиями стандарта.

Под нестабильностью частоты радиопередатчика понимают отклонение частоты колебаний на его выходе за определенный промежуток времени относительно установленной частоты. Малая нестабильность (высокая стабильность) частоты позволяет ослабить помехи радиоприему.

Внеполосными называют такие излучения , которые расположены вне полосы, отведенной для передачи полезных сообщений. Внеполосные излучения являются источником дополнительных помех радиоприему. При подавлении внеполосных излучений качество передачи сигнала не ухудшается.

По назначению радиопередающие устройства делятся на связные. Радиовещательные и телевизионные. По диапазону рабочих частот радиопередающие устройства подразделяются в соответствии с классификацией видов радиоволн. В зависимости от номинальной мощности радиопередающие устройства делятся на маломощные (до 100 Вт), средней мощности (от 100 до 10000 Вт), мощные (от 10 до 500 кВт) и сверхмощные (свыше 500 кВт).

Специфика эксплуатации позволяет выделить стационарные и подвижные радиопередающие устройства (автомобильные, самолетные, носимые и т.д.).

Радиоприемные устройства

Радиоприем – это выделение сигналов из радиоизлучения. В том месте, где ведется радиоприем, одновременно существуют радиоизлучения от множества естественных и искусственных источников. Мощность полезного радиосигнала составляет очень малую долю мощности общего радиоизлучения в месте радиоприема. Задача радиоприемного устройства сводится к выделению полезного радиосигнала из множества других сигналов и возможных помех, а также к воспроизведению (восстановлению) передаваемого сообщения.

Основными (в смысле универсальности) показателями радиоприемных устройств являются: диапазон рабочих частот, чувствительность, избирательность, помехоустойчивость.

Диапазон рабочих частот определяется диапазоном возможных частот настройки. Другими словами, это область частот настройки, в пределах которой радиоприемное устройство может плавно или скачкообразно перестраиваться с одной частоты на другую.

Чувствительность является мерой способности радиоприемного устройства обеспечивать прием слабых радиосигналов. Количественно оценивается минимальным значением электродвижущей силы (ЭДС) сигнала на входе радиоприемного устройства, при котором имеет место требуемое отношение сигнал-шум на выходе при отсутствии внешних помех.

Избирательностью называется свойство радиоприемного устройства, позволяющее отличать полезный радиосигнал от радиопомехи по определенным признакам, свойственным радиосигналу. Иначе: это способность радиоприемного устройства выделять нужный радиосигнал из спектра электромагнитных колебаний в месте приема, снижая мешающие радиосигналы. Различают пространственную и частотную избирательности. Пространственная избирательность достигается за счет использования антенны, обеспечивающей прием нужных сигналов с одного направления и ослабления радиосигналов с других направлений от посторонних источников. Частотная избирательность количественно характеризует способность радиоприемного устройства выделять из всех радиочастотных сигналов и радиопомех, действующих на входе, сигнал, соответствующий частоте настройки радиоприемника.

Помехоустойчивостью радиоприемного устройства называется его способность противодействовать мешающему действию помех. Количественно помехоустойчивость оценивается тем максимальным значением уровня помехи в антенне, при котором еще обеспечивается прием радиосигналов.

Радиоприемные устройства можно классифицировать по различным признакам. По назначению можно выделить радиовещательные (обычно называемые радиоприемниками или приемниками), телевизионные (телевизоры), профессиональные, специальные радиоприемные устройства. К профессиональным относятся магистральные радиоприемные устройства декаметрового диапазона, радиорелейных и спутниковых линий связи. Среди радиоприемных устройств специального назначения следует назвать, например, радиолокационные, радионавигационные, самолетные и т.д.

Антенны и фидеры

Антенна представляет собой элемент сопряжения между передающим или приемным оборудованием и средой распространения радиоволн. Антенны, имеющие вид проводов или поверхностей, обеспечивают излучение электромагнитных колебаний при передаче, а при приеме они «собирают» падающую энергию. Антенны, состоящие из проводов небольшого поперечного сечения по сравнению с длиной волны и продольными разрезами, называют проволочными . Антенны, излучающие через свой раскрыв – апертуру, называют апертурными . Иногда их называют дифракционными, рефлекторными, зеркальными. Электрические токи таких антенн протекают по проводящим поверхностям, имеющим размеры, соизмеримые с длиной волны или много большие ее.

Электрическая цепь и вспомогательные устройства, с помощью которых энергия радиочастотного сигнала проводится от радиопередатчика к антенне или от антенны к радиоприемнику, называется фидером . К фидерам предъявляются следующие требования: потери энергии высокочастотных сигналов в нем должны быть минимальными; они не должны иметь антенного эффекта, т.е. не должны излучать или принимать электромагнитные волны; обладать достаточной электрической прочностью, т.е. передавать требуемую мощность без опасности электрического пробоя изоляции.

Передающие антенны, используемые в километровом и гектометровом диапазонах радиоволн, соединяются с радиопередатчиком с помощью многопроводных коаксиальных фидеров. В декаметровом диапазоне фидеры обычно выполняются в виде проволочных двух- или четырехпроводных линий. К антеннам метровых радиоволн энергия, как правило, проводится с помощью коаксиального кабеля. На более коротких волнах, в частности в сантиметровом диапазоне, фидер выполняется в виде полой металлической трубы – волновода прямоугольного, эллиптического или круглого сечения.

Классификация и способы распространения радиоволн приведены в таблицах ниже.

Любой вид связи предназначен для передачи информации на расстояние. Информация - это совокупность сведений о событиях в окружающем мире. Формой представления информации является сообщение, которое может представлять собой речь, текст, последовательность чисел и т.д.

Чтобы передать сообщение от источника информации получателю, необходимо использовать любой физический процесс, способный распространяться с некоторой скоростью от источника к получателю информации, например: звуковые колебания, электрический ток в проводниках, свет, электромагнитное поле и др.. физическая величина, определяющая данный процесс, изменяющаяся во времени и отображающая передаваемое сообщение (сила тока, интенсивность электромагнитного поля, яркость света и т.д.называется сигналом. Сигналы не являются передаваемым сообщением, а лишь отображают его. Часто сигнал, полученный в результате преобразования сообщения, называют первичным электрическим сигналом. В зависимости от характера сообщения.первичные электрические сигналы могут быть непрерывными или дискретными

Непрерывные сигналы принимают любые значения по состояниям в некотором интервале. Такие сигналы описываются на некотором достаточно большом интервале времени непрерывными функциями времени. Типичным примером непрерывного сигнала является речевой сигнал, его амплитуда непрерывно меняется во времени в пределах ±Umax. При передаче такого телефонного сигнала необходимо в первую очередь учитывать его спектр частот.

Известно, что спектр звуков, воспринимаемых человеческим ухом, занимает полосу частот в пределах от 16 до 20000 Гц. Однако передача такого широкого спектра частот по каналам связи сопряжена с определёнными трудностями, связанными с увеличением полосы частот, занимаемой каналом связи, а, следовательно, и с уменьшением количества каналов связи, обеспечиваемых в определённом диапазоне частот. Поэтому при телефонной связи спектр речевого сигнала ограничивают полосой частот от 300 до 3400 Гц, в которой расположены основные частотные составляющие и основная энергия звуков человеческой речи (рис. 2.1).

При этом такое ограничение спектра частот телефонного сигнала не ведёт к заметному искажению сигнала. Ширина спектра 0,3¸3,4 КГц получила название стандартного телефонного канала.

Дискретные сигналы принимают конечное число вполне определённых значений по состоянию. Наиболее общим примером дискретных сигналов могут служить телеграфные сигналы, отображающие текст сообщения с помощью определённого алфавита (кода). При этом каждая буква или цифра кода выражается вполне определённым дискретным состоянием сигнала. На рис.2.2. показаны дискретные состояния, которые принимает сигнал при передаче буквы «Ж» с помощью кода Морзе.

Передача телеграфных сигналов может осуществляться с различной скоростью телеграфирования. Скорость телеграфирования определяется количеством элементарных импульсов, передаваемых в единицу времени (1с) и измеряется в Бодах (Б). 1 Б = 1 имп / 1 с. Для большинства буквопечатающих телеграфных аппаратов скорость телеграфирования составляет 50 Бод. Первичный электрический сигнал независимо от его вида носит низкочастотный характер. Он может быть непосредственно переданным по проводным линиям связи, но не может эффективно излучаться в среду распространения радиоволн, так как практически невозможно создать антенны, геометрические размеры которых были бы соизмеримы с длинной волн сигнала.

Например, при F=1кГц длина волны l=300(км), а длина антенны L=l/4 = 75(км), что практически не осуществимо. Следовательно, для передачи по радио первичный электрический сигнал должен быть преобразован в высокочастотный сигнал, способный эффективно излучаться в окружающее пространство. Такой сигнал принято называть радиосигналом. Преобразование первичных низкочастотных электрических сигналов в радиосигналы осуществляется в радиопередатчиках, являющихся основной частью радиопередающих устройств. Процесс преобразования непрерывных первичных сигналов в радиосигналы носит название модуляции, а дискретных - манипуляции.

Радиосигнал, сформированный и излучённый в окружающую среду в виде радиоволн, распространяясь с определённой скоростью, достигает места расположения получателя информации. При прохождении радиосигнала в среде распространения на него воздействуют другие сигналы, определяемые как свойствами самой среды распространения, так и другими источниками электрических сигналов. В точке получения переданной информации необходимо произвести обратное преобразование радиосигнала в сообщение.

Преобразование радиосигналов, пришедших в точку приёма, в исходное сообщение осуществляется радиоприёмным устройством. Задача преобразования принимаемого радиосигнала в сообщение более сложная, чем преобразование сообщения в радиосигнал, так как преобразованию подвергаются не только переданный радиосигнал, а его смесь с другими сигналами (помехами), которые могут исказить переданное сообщение.

Источник информации, радиопередающее устройство, среда распространения радиоволн, радиоприёмное устройство и получатель информации образуют линию радиосвязи (рис. 2.3). Структурная схема линии радиосвязи, изображённая на рис.2.3., обеспечивает передачу сообщения только в одном направлении - от источника информации к получателю, т.е. одностороннюю радиосвязь. Для обеспечения двусторонней радиосвязи необходимо на каждом конце радиолинии иметь радиопередающее радиоприемное устройство. В этом случае источник информации и получатель информации периодически меняются функциями, выполняемыми в линии радиосвязи, поэтому их принято объединять одним понятием корреспондент.

Для двусторонней радиосвязи режим работы радиолинии может быть симплексным или дуплексным. Линия радиосвязи, в которой передача и приём сообщений осуществляются поочерёдно, называется симплексной, если же линия радиосвязи обеспечивает одновременную передачу и приём информации, то такая радиолиния называется дуплексной. Линия радиосвязи, которая позволяет одновременно передавать несколько сигналов, отображающих независимые сообщения, называется многоканальной (двухканальной, трёхканальной и т.д.), если же линия радиосвязи предназначена для передачи только одного сигнала, соответствующего одному сообщению, то она называется одноканальной. Таким образом, под каналом радиосвязи понимают часть линии, обеспечивающую передачу и приём сигнала.

В общем случае под каналом радиосвязи понимают часть радиопередающего устройства, среду распространения радиоволн и часть радиоприёмного устройства. Какие части радиопередающего и радиоприёмного устройства входят в понятие радиоканала, оговаривается отдельно. Наиболее часто канал радиосвязи (радиоканал) ограничивается только средой распространения радиоволн. Это объясняется тем, что наиболее характерные особенности радиоканала, отличающие его от других каналов связи, определяются именно средой распространения. В дальнейшем, если не будет специально оговорено, под радиоканалом будем понимать среду распространения радиоволн.

Таким образом, любое радиопередающее устройство должно обеспечивать выполнение следующих трех функций:

1. Преобразование сообщения в первичный электрический сигнал, которое осуществляется оконечной передающей аппаратурой (микрофон, телеграфный ключ, телеграфный аппарат, передающая телевизионная трубка и т.д.).

2. Преобразование первичного электрического сигнала путём модуляции (манипуляции) высокочастотного колебания в радиосигнал, способный эффективно излучаться и распространяться в виде радиоволн на заданное расстояние. Эту функцию выполняет собственно радиопередатчик.

3. Излучение сформированных радиопередатчиком радиосигналов в виде электромагнитных волн, осуществляемое передающим антенно-фидерным устройством (АФУ).

На приёмном конце линии радиосвязи с помощью радиоприёмного устройства производиться обратное преобразование радиосигналов в сообщение. Радиоприёмное устройство также выполняет следующие три основные функции:

1. Приёмное антенно-фидерное устройство (АФУ) улавливает энергию электромагнитных волн и преобразует её в радиосигнал.

2. Выделение принимаемого радиосигнала из множества сигналов, наводимых в антенне, и преобразование его в первичный низкочастотной сигнал необходимой мощности, осуществляемые радиоприёмником.

3. Преобразование первичного сигнала в сообщение, выполняемое приёмной оконечной аппаратурой (головные телефоны, динамик, приёмный телеграфный аппарат, телевизионная трубка и т.д.). Для обеспечения двусторонней радиосвязи необходимо на каждом конце радиолинии иметь радиопередающее и радиоприёмное устройства, которые организационно, а часто и конструктивно, вместе с устройствами управления объединяются в единый комплекс-радиостанцию.

На рис.2.4 представлена обобщенная структурная схема линии радиосвязи между корреспондентами А и Б.

Основные свойства радиоканала, отличающие его от других каналов связи, определяются, главным образом, свойствами среды распространения. Поэтому, при рассмотрении данного вопроса понятие радиоканала ограничим средой распространения радиоволн.

В радиосвязи в качестве среды распространения используется пространство, окружающее земную поверхность. Такая среда не обладает направленными свойствами, как это имеет место, например в проводных и кабельных линиях связи. В линиях радиосвязи излучённые передающей антенной, распространяются практически во все стороны от излучателя и только незначительная часть их энергии излучается в сторону радиоприёмного устройства корреспондента. Происходит рассеивание энергии радиоволн в среде распространения. Кроме того, за счет поглощения энергии радиоволн в земной поверхности и ионосфере, а также за счет преломления радиоволн происходит дополнительное уменьшение энергии радиоволн, приходящих в точку приёма. В тех случаях, когда энергия радиоволн, пришедших в точку приёма оказывается недостаточной для преобразования её в первичный сигнал, радиосвязь оказывается невозможной.

Первое свойство радиоканала и заключается в том, что в процессе распространения радиоволн из-за их рассеивания и поглощения в земной поверхности и ионосфере происходит резкое уменьшение мощности радиосигналов на входе радиоприёмников. Поэтому радиоканал в отличии от других каналов связи рассматривается, как канал с большим затуханием.

Большое затухание радиоканала приводит к тому, что уровень радиосигнала на входе радиоприёмного устройства оказывается соизмеримым с уровнем флуктуационных токов (собственных шумов) радиоприёмника, что затрудняет, а в некоторых случаях делает и невозможным, распознавание принимаемых сигналов и отделение их от шумов.

«Уменьшить» затухание радиоканала можно за счет выбора оптимальных рабочих частот для данного времени требуемой дальности радиосвязи, а также за счет более направленных и эффективных передающих и приёмных антенных устройств.

Вторым свойством радиоканала является изменение затухания во времени в весьма широких пределах, поэтому радиоканал принято считать каналом связи с переменными параметрами. Изменение затухания радиоканала может происходить по различным причинам. На величину затухания в радиоканале влияют изменения взаимного расположения радиостанций на местности и расстояний между ними, что особенно заметно при осуществлении радиосвязи земными волнами. Поскольку напряжённость электромагнитного поля убывает практически пропорционально квадрату длины пути, проходимому волной в процессе распространения, то любое изменение расстояния между работающими радиостанциями приводит к изменению мощности радиосигнала в точке приёма.

Очевидно, что эти изменения особенно сильно влияют на обеспечение радиосвязи между подвижными объектами. Но даже в случаях, когда расстояние между работающими радиостанциями остаётся постоянным, а изменяется только их взаимное расположение на местности, могут происходить достаточно резкие изменения затухания в радиоканале, вызываемые изменениями параметров почвы, а, следовательно, и её поглощающих свойств. Параметры сухой почвы отличаются от параметров влажной почвы и от параметров водной поверхности, а также зависят от вида самой почвы - песок, глина и т.д.

В диапазоне метровых волн, на поглощающие свойства среды распространения сильное влияние оказывают рельеф местности и местные предметы - холмы, горы, растительный покров, строения и т.д. Всё это приводит к изменению величины затухания радиоканала, которое может достигать сотен децибел.

Третьим свойством радиоканала является его общедоступность, т.е. возможность использования одной и той же среды распространения любыми радиотехническими устройствами. Общедоступность среды распространения обеспечивает возможность одновременного функционирования большого количества линий радиосвязи.

Таким образом, на входе приёмного устройства всегда кроме принимаемого радиосигнала будут присутствовать помехи, которые искажают его, а. следовательно, и первичный сигнал, непосредственно отображающих переданное сообщение. Степень искажения первичною сигнала определяет правильность принятого сообщения, т.е. его достоверность.

Итак, для повышения надежности радиосвязи и обеспечения высокой достоверности принятого сообщения необходимо принимать следующие меры:

Осуществлять радиосвязь на оптимально выбранных по радио прогнозам частотах, свободных от помех;

Использовать такие виды радиосигналов, которые обеспечивают требуемую надёжность радиосвязи при возможно меньших значениях степени превышения сигнала над помехой;

Применять эффективные и направленные передающие и приёмные антенны;

Уменьшать полосу пропускания радиоприёмника до возможно меньших значений, определяемых спектром принимаемого радиосигнала.

Структурная схема и принцип построения приёмопередающих радиостанций.

Любой вид радиосвязи осуществляется при помощи элек­тромагнитных волн, распространяющихся в пространстве со скоростью света. Электромагнитные волны образуются вокруг антенного устройства, которое питается переменным током высокой ча­стоты. Токи высоких частот вырабатываются (генерируются) передатчиком радиостанции. Радиопередатчиком называется устройство, предназначенное для выполнения двух основных функций:

1. генерирования колебаний высокой частоты, т. е. пре­образования энергии источников электропитания в электро­магнитные колебания высокой частоты;

2. модуляции этих колебаний в соответствии с сигнала­ми, подлежащими передаче.

Получаемые в радиопередатчике модулированные коле­бания высокой частоты передаются в антенну и далее излучается в виде свободных электромагнитных волн. В зависимости от предназначения, диапазона рабочих волн, мощности, вида управления колебаниями передатчиков их конструкция и схемы могут быть различными.

Каждый радиопередатчик состоит из нескольких каскадов, выполняющих определенную роль. Блок-схема радиопередат­чика показана на рис. 1.1.

Основным элементом радиопередатчика является возбу­дитель, предназначенный для генерирования колебаний высо­кой частоты в заданном диапазоне при высокой их стабиль­ности. В качестве возбудителя обычно применяют маломощ­ный ламповый генератор с самовозбуждением (автогене­ратор).

Полученные в возбудителе высокостабильные колебания высокой частоты подаются на следующий элемент - проме­жуточный усилитель. В этом каскаде осуществляется пред­варительное усиление колебаний высокой частоты до вели­чины обеспечивающей нормальную работу следующего ка­скада - каскада усилителя мощности. В усилителе мощности происходит усиление сигнала высокой частоты до необходи­мой мощности. Усиленный сигнал передается в передающую антенну. В антенне высокочастотный ток преобразуется в электромагнитные волны, распространяющиеся в про­странстве.

В маломощных передатчиках может не быть промежу­точного каскада, а высокочастотные колебания с возбуди­теля подаются непосредственно на усилитель мощности. В передатчиках средней и большой мощности может быть несколько промежуточных каскадов. В этом случае в про­межуточных каскадах может производиться не только усиле­ние колебаний высокой частоты, но и умножение частоты ко­лебаний возбудителя. Умножение частоты дает возможность расширить диапазон частот передатчика при узкодиапазон­ном возбудителе. Блок-схема такого передатчика представ­лена на рис. 1.2. Этот передатчик четырехкаскадный. В его состав входят: возбудитель, первый промежуточный каскад (усилитель-удвоитель), второй промежуточный каскад (усилитель-удвоитель) и усилитель мощности.

Диапазон частот возбудителя 1,5 - 3,0 МГц, диапазон же частот передатчика 1,5-12,0МГц. Такой широкий диапа­зон частот передатчика получается благодаря умноже­нию частоты в промежуточных каскадах. Весь диапазон передатчика разбивается на три поддиапазона. На первом под­диапазоне оба промежуточных каскада работают как усили­тели колебаний частоты возбудителя, т. е. усиливают высоко­частотные колебания возбудителя в диапазоне 1,5 - 3,0МГц. На втором поддиапазоне первый промежуточный каскад работает, как удвоитель частоты возбудителя.

Осталь­ные каскады работают как усилители. Так получается второй поддиапазон 3-6 МГц. Наконец, на третьем поддиапазоне удвоителями частоты работают оба промежуточных каскада, образующих третий поддиапазон передатчика 6-12МГц.

Усилитель мощности передатчика во всех случаях рабо­тает только в режиме усиления. Принцип образования рабо­чих частот такого передатчика иллюстрируется табл. 1.1.

Для передачи сообщений необходимо колебания этих со­общений наложить на колебания высокой частоты, генери­руемые передатчиком и называемые колебаниями несущей частоты Процесс управления колебаниями несущей частоты передаваемым сигналом называется модуляцией. Он осуще­ствляется специальным устройством - модулятором (Мод.) Кроме перечисленных элементов, в каждом передатчике имеются источники электропитания. Радиоприемное устройство (радиоприемник) является по­следним звеном линии радиосвязи.

Радиоприемник предназначен для выделения высокоча­стотного сигнала корреспондента из множества сигналов различных радиостанций, усиления выделенного слабого сигнала, преобразования высокочастотного сигнала в сигнал звуковой частоты и усиления сигнала звуковой частоты до ве­личины, обеспечивающей нормальную работу выходного устройства (телефонов, громкоговорителей). По принципу ра­боты различают несколько типов радиоприемников. Наибо­лее распространены из них приемники прямого усиления и приемники супергетеродинного типа.

В радиоприемниках прямого усиления, наиболее простых по устройству, основная избирательность и усиление сигна­ла осуществляются по высокой частоте принимаемого сиг­нала. Усиленный до нужной величины сигнал высокой ча­стоты затем преобразуется в напряжение низкой звуковой частоты и после соответствующего усиления приводит в дей­ствие телефоны либо громкоговорители. Блок-схема такого радиоприемника приведена на рис. 1.26,

Радиоприемники прямого усиления просты в устройстве, но не обеспечивают необходимой избирательности и доста­точного усиления. Поэтому такие приемники в настоящее время в военных радиостанциях не применяются. Более со­вершенными, хотя и значительно более сложными, являются радиоприемники супергетеродинного типа. В радиоприемни­ках супергетеродинного типа принятые колебания высокой частоты преобразуются в специальном устройстве в колеба­ния промежуточной частоты. Основное усиление сигнала и обеспечение высокой избирательности осуществляются по промежуточной частоте. Лишь после этого усиленный моду­лированный сигнал промежуточной частоты преобразуется в напряжение звуковой частоты.

Современный связной радиоприемник должен обеспечи­вать хорошую слышимость слабых сигналов в нужном диапа­зоне волн, обеспечивать хорошую избирательность и не иска­жать принимаемый сигнал. Поэтому к радиоприемнику предъявляются определенные требования.

Для приема слабых сигналов радиоприемник должен об­ладать высокой чувствительностью. Количественно чувстви­тельность приемника оценивается той наименьшей ЭДС сигнала, которую надо подать на вход радиоприемника, при которой обеспечивается нормальная громкость сигнала на выходе приемника при заданном соотношении напряжения полезного сигнала и напряжения шумов. Чем меньше входное напряжение, необходимое для нормальной работы радио­приемника, тем выше чувствительность радиоприемника.

Современные радиоприемники военной радиосвязи имеют чувствительность, равную единицам и даже долям микро­вольта.

В современных условиях работают многие тысячи радио­станций одновременно, причем многие из них работают на близких частотах. Для приема сигнала в таких условиях не­обходимо, чтобы радиоприемник обладал хорошей избира­тельностью, т. е. способностью выделить нужный сигнал из множества сигналов. Иными словами, радиоприемник дол­жен выделить определенную полосу частот, занимаемую нужным сигналом, и не пропустить (подавить) все сигналы, лежащие вне этой полосы.

Обычно избирательность выра­жают величиной ослабления сигнала при расстройке на опре­деленное число килогерц, изображенной графически в виде кривой избирательности. На рис. 1.27 изображены кривые избирательности двух приемников: кривая а выражает изби­рательность плохого приемника, криваяб - хорошего при­емника. Из кривых следует, что сигнал мешающей станции, работающей на частоте 1020кГц, по сравнению с сигналом принимаемой станции, работающей на частоте 1000кГц, будет ослаблен вторым приемником (кривая б) почти в 10 000 раз, а первым приемником (криваяа) почти не ослаблен. В приведенном примере сигнал мешающей станции во втором приемнике практически не слышен (подавлен), в то время как в первом приемнике он принимается так же, как и сигнал корреспондента.

Современные военные радиоприемники обладают очень хорошей избирательностью.

Военные радиоприемники работают в широком диапазоне волн, причем во всем диапазоне обеспечивается высокая чув­ствительность и хорошая избирательность. Наиболее полно всем этим требованиям отвечают радиоприемники супергете­родинного типа.

Блок-схема радиоприемника супергетеродинного типа при­ведена на рис. 1.28. В состав радиоприемника входят сле­дующие основные элементы:

• входная цепь;
• усилитель напряжения высокой частоты;

Преобразователь частоты, состоящий из смесителя и гетеродина;

• усилитель напряжения промежуточной частоты;
• детектор;
• усилитель напряжения низкой частоты.

Если радиоприемник предназначен для приема телеграф­ных сигналов с амплитудной манипуляцией, то в этом слу­чае в нем имеется дополнительный элемент - второй гетеро­дин. Принцип работы супергетеродинного приемника рас­смотрим на примере приема телефонного сигнала (рис. 1.28). Радиотелефонный сигнал частотой 2000 кГц, принятый прием­ной антенной, выделяется входной цепью приемника (рис. 1.28, а).

Выделенный входной цепью сигнал очень слаб. Для уси­ления сигнал с входной цепи подается на усилитель напря­жения высокой частоты. Усиление этого усилителя невелико, особенно на высоких частотах. Обычно оно составляет еди­ницы или десятки раз. Но даже это небольшое усиление очень важно для получения высокой чувствительности радио­приемника, так как позволяет более успешно осуществлять преобразование сигнала и, главное, создать на входе пре­образователя преобладание полезного сигнала над собствен­ными шумами смесителя. Кроме того, усилитель напряжения высокой частоты улучшает избирательность радиоприемника, так как колебательные контуры, включенные в анодные цепи ламп усилителя, настраиваются также на частоту сигнала и совместно с контурами входной цепи формируют кривую избирательности по высокой частоте. Для улучшения чув­ствительности и избирательности радиоприемника, особенно на высоких частотах, усилители напряжения высокой час­тоты делают двух-трехкаскадными.

Выделенный и усиленный входной цепью и усилителем напряжения высокой частоты сигнал (рис. 1.28,6) подается на смеситель. Одновременно на смеситель подается напряже­ние вспомогательной частоты от специального маломощного генератора - гетеродина, работающего на частоте 2460 кГц (рис. 1.28, в). В результате работы преобразователя на на­грузке смесителя выделяется напряжение промежуточной ча­стоты, равной разности частот генератора и сигнала 460кГц (рис. 1.28,г) и постоянной во всем диапазоне приемника. Характер модуляции высокочастотного сигнала при преобра­зовании не меняется. С нагрузки смесителя выделенный сиг­нал промежуточной частоты подается на усилитель напряже­ния промежуточной частоты. В супергетеродинных радио­приемниках основное усиление сигнала осуществляется в тракте промежуточной частоты. Поэтому усилители для по­лучения большого усиления делают многокаскадными. Основ­ное усиление вне зависимости от частоты принимаемого сиг­нала осуществляется на одной промежуточной частоте, что дает возможность в таком усилителе применить колебатель­ные системы высокой добротности. Наряду с усилением на­пряжения промежуточной частоты усилитель обеспечивает высокую избирательность приемника. Усиленный сигнал про­межуточной частоты (рис. 1.28,д) подается затем на детектор. В детекторе амплитудно-модулированный сигнал промежу­точной частоты преобразуется в напряжение звуковой ча­стоты. Напряжение (рис. 1.28,е), выделившееся на нагрузке детектора, усиливается усилителем напряжения низкой (зву­ковой) частоты и подается на телефоны либо громкоговори­тель (рис. 1.28,ж).

При приеме телеграфного амплитудно-манипулированного сигнала прохождение сигнала до детектора не отличается от прохождения телефонного амплитудно-модулированного сигнала. Для «озвучивания» телеграфных посылок в прием­нике используется второй гетеродин. С помощью колебаний второго гетеродина телеграфные посылки в детекторе пре­образуются в напряжение звуковой частоты, которое затем усиливается в усилителе напряжения звуковой частоты.

В зависимости от типа и назначения радиоприемника его блок-схема может видоизменяться, но перечисленные основ­ные элементы являются обязательными для каждого супергетеродинного радиоприемника.

Принципы ведения радиосвязи. Канал и линия радиосвязи

Слово “радио” происходит от латинского radiare - излучать или испускать лучи и является общим термином, используемым к любым практическим применениям радиоволн. При этом под радиоволнами понимаются электромагнитные волны, распространяющиеся через открытое пространство (среду распространения радиоволн) без искусственных направляющих сред, таких, как провода или трубы - волноводов. При использовании электромагнитных волн в качестве материального носителя для передачи информации на расстояние приходим к радиосвязи как к одному из способов электросвязи, применяющей для обмена информацией электрические системы передачи. Таким образом, радиосвязь - это электросвязь, осуществляемая посредством радиоволн.

В широком смысле радиосвязь представлена несколькими родами связи, использующими для передачи сообщений различные механизмы распространения радиоволн: вдоль земной поверхности, с применением отражения в разных слоях атмосферы или посредством космических ретрансляторов. Каждый род радиосвязи характеризуется своими принципами, определяемыми, главным образом, особенностями диапазонов используемых для передачи сообщений радиоволн. В дальнейшем, говоря о радиосвязи, будет иметься в виду такой ее род, который дает возможность непосредственной связи между пространственно разнесенными точками на земной поверхности без использования промежуточных пунктов связи, осуществляющих переприем (ретрансляцию) сигналов. При этом ретрансляция, в принципе, может быть применима для повышения дальности связи или в других случаях, например, для повышения эффективности связи в сложных условиях помеховой обстановки. Другой отличительной особенностью того рода радиосвязи, который будет рассмотрен ниже, является возможность передачи и приема сообщений в движении.

Все поступающие от источника для передачи посредством радиоволн сообщения преобразуются в передающем оконечном устройстве в первичный электрический сигнал u (t), представляющий собой изменяющееся во времени напряжение (ток), отображающее сообщения. В зависимости от характера сообщений и вида преобразования первичный электрический сигнал может быть дискретным или непрерывным. В качестве передающего оконечного устройства могут выступать микрофон гарнитуры микрофонно-телефонной (МТГ) или телефонной трубки, телеграфный ключ, телеграфный аппарат и другие технические средства.

Характерной особенностью первичных электрических сигналов является их сравнительно медленное изменение во времени, т. е. низкая частота колебаний. Спектры большинства первичных электрических сигналов ограничены максимальной частотой, не превышающей нескольких килогерц. Такие низкочастотные сигналы не могут эффективно излучаться в среду распространения радиоволн, так как для этого необходимы излучатели, имеющие геометрические размеры, соизмеримые с длиной волны сигнала. Поэтому далее в радиопередатчике первичный электрический сигнал преобразуется в удобный для передачи радиосигнал uс(t). Процесс преобразования называется модуляцией для непрерывных первичных сигналов или манипуляцией для дискретных. В процессе модуляции (манипуляции) первичный электрический сигнал выступает в роли модулирующего сигнала, изменяющего один из параметров (амплитуду, частоту, фазу) высокочастотного гармонического колебания несущей частоты.

В общем случае процессу модуляции первичного электрического сигнала предшествует операция его кодирования, в результате которой последовательность элементов сообщения по определенному правилу заменяется последовательностью кодовых символов.

Радиосигналы по аналогии с первичными электрическими сигналами, которые они отображают, могут быть непрерывными (аналоговыми) или дискретными. В некоторых случаях дискретные сигналы называют цифровыми, поскольку их можно представить в цифровой форме - в виде чисел с конечным числом разрядов. В радиосвязи наибольшее применение нашли цифровые сигналы, имеющие только два дискретных значения. Дискретные сигналы могут использоваться для передачи не только дискретных, но и непрерывных сообщений, и обратно, непрерывные сигналы - для передачи дискретных сообщений.

Радиосигнал с выхода радиопередатчика при помощи соединительной линии, которая называется фидером, подводится к передающей антенне и в виде радиоволн излучается ею в открытое пространство. Скорость распространения радиоволн зависит от свойств среды, при этом максимальная скорость имеет место в свободном пространстве (вакууме), и она совпадает со скоростью света в вакууме, равной 3×108 м/с. В других средах скорость радиоволн меньше и определяется относительными диэлектрической и магнитной проницаемостями среды.

В точке приема радиоволны преобразуются приемной антенной в высокочастотный сигнал, который далее по фидеру подается в радиоприемник, где происходит восстановление переданного первичного электрического сигнала u (t). Для этого выполняются операции, обратные тем, которые были осуществлены в радиопередатчике - демодуляция (детектирование) и декодирование сигнала. В приемном оконечном устройстве (например, телефонах МТГ, телеграфном аппарате, громкоговорителе) первичные сигналы преобразуются в сообщения и подаются их получателю.

Задача преобразования принимаемых сигналов в сообщения более сложная, чем преобразование сообщений в радиосигнал, так как преобразованию подвергается не только переданный радиосигнал, а его смесь с другими сигналами (помехами), которые могут исказить переданное сообщение. Наличие помех при передаче сообщений связано с тем, что среда распространения радиоволн является общей для многих источников электромагнитного излучения, т. е. имеет свободный доступ.

Совокупность технических устройств и среды распространения радиоволн, обеспечивающая передачу сообщений от источника к получателю с помощью радиоволн, называется линией радиосвязи (радиолинией). При этом источники и получатели, использующие линии радиосвязи для передачи и приема сообщений, являются абонентами радиосвязи. Абоненты могут передавать сообщения самостоятельно или с помощью радистов (радиотелеграфистов). Абонентов радиосвязи и радистов, осуществляющих непосредственную передачу сообщений по радиолинии, принято называть корреспондентами.

Структурная схема линии радиосвязи, предназначенной для передачи сообщений между абонентами (корреспондентами) А и Б, показана на рис. 2.1. В ней радиопередатчик (передатчик) и передающую антенну принято объединять в радиопередающее устройство, а радиоприемник (приемник) и приемную антенну - в радиоприемное устройство. Кроме того, передающую антенну и фидер, соединяющий ее с передатчиком, называют передающим антенно-фидерным устройством (АФУ) или трактом, а приемную антенну и фидер, связывающий ее с приемником, - приемным АФУ или трактом.

В общем смысле линию радиосвязи можно считать одним из видов канала электросвязи (канала связи), под которым понимается путь прохождения сигналов электросвязи, обеспечивающий при подключении к его окончаниям абонентских оконечных устройств передачу сообщений от источника к получателю (получателям). Каналам электросвязи в зависимости от вида сети связи присваиваются названия, например, телефонный канал, телеграфный канал, канал передачи данных, канал звукового вещания.

Линия радиосвязи может быть одноканальной или многоканальной. В последнем случае ей принадлежит несколько одновременно действующих каналов связи, по которым передаются сигналы, отображающие различные (иногда одинаковые) сообщения. В отличие от одноканальной в состав многоканальной радиолинии могут входить несколько передающих и приемных оконечных устройств, осуществляющих преобразование сообщений от разных источников в первичные электрические сигналы и обратно. Кроме того, в многоканальной линии радиосвязи должны быть предусмотрены устройства, выполняющие функции объединения и разделения сигналов разных абонентов.

Линии радиосвязи могут быть прямыми, соединяющими абонентов непосредственно, без использования промежуточных пунктов (ретрансляторов радиосигналов), или составными, проходящими через такие пункты (в этом случае в состав радиолинии включаются технические устройства ретранслятора, обеспечивающие прием, преобразование, усиление и последующую передачу радиосигналов, принимаемых от обоих корреспондентов).

Часть линии радиосвязи, которая создает путь прохождения радиосигналов, принято называть каналом радиосвязи (радиоканалом). Границы канала радио-
связи в зависимости от решаемых задач или исследуемых вопросов могут быть выбраны произвольно, лишь бы по каналу проходили радиосигналы, отображающие сообщения. В одних случаях под каналом радиосвязи понимают совокупность технических устройств, обеспечивающих образование радиосигнала и его излучение в радиопередатчике, а также прием радиосигнала и обратное его преобразование в радиоприемнике, и среды распространения радиоволн. В других случаях, например, при рассмотрении свойств каналов электросвязи, каналом радиосвязи называют только среду распространения радиоволн.

Канал радиосвязи, аналогично радиолинии, является частным случаем канала передачи, под которым понимается комплекс технических средств и среды распространения, обеспечивающий передачу сигналов электросвязи в определенной полосе частот или с определенной скоростью между узлами и станциями сети. Радиоканал представляет собой канал передачи, в котором сигналы электросвязи передаются посредством радиоволн. В зависимости от методов передачи сигналов электросвязи канал передачи может быть аналоговым или цифровым (дискретным). Вид канала радиосвязи, кроме того, определяется типом радиоволн, используемых для передачи сообщений.

Канал передачи, параметры которого соответствуют принятым нормам, называется типовым каналом передачи. Типовые каналы передачи в радиосвязи будут рассмотрены в главе 7.

Показанная на рис. 2.1 линия радиосвязи реализует двустороннюю радиосвязь, так как ее состав позволяет обоим корреспондентам и передавать, и принимать сообщения. При односторонней радиосвязи один из корреспондентов осуществляет только передачу сообщений, и другой (или другие) - только прием.

Двусторонняя радиосвязь может быть симплексной или дуплексной. В первом случае передача и прием информации между корреспондентами производятся поочередно, при этом радиообмен возможен на одной частоте или на разнесенных частотах приема и передачи. В этом случае радиосвязь является симплексной одночастотной (или просто симплексной), а во втором - симплексной двухчастотной. При ведении дуплексной радиосвязи передача и прием информации осуществляются одновременно. Причем, если передатчики корреспондентов включены постоянно, независимо от того, происходит передача информации или нет, радиосвязь принято называть дуплексной, а если передатчики включаются только на время передачи информации, а когда передачи нет, выключаются - полудуплексной.

Для передачи сообщений по радиоканалам используется часть спектра электромагнитных колебаний, находящаяся в пределах от 3 кГц до 3000 ГГц. Эта часть спектра называется радиочастотным спектром (радиоспектром), а частоты радиоспектра - радиочастотами. Согласно международному документу - Регламенту радиосвязи, радиоспектр содержит 9 полос (диапазонов), начиная с четвертой. Деление спектра на диапазоны произведено так, что отношение верхней граничной частоты диапазона к его нижней граничной частоте равно 10. При этом верхняя граничная частота любого диапазона включается в него, а нижняя - исключается. В пределах одного диапазона свойства распространения радиоволн практически одинаковы. В табл. 2.1 приведены соответствующие Регламенту радиосвязи наименования, буквенные обозначения (международные и русские) и границы частотных полос, составляющих радиоспектр.

Волны в диапазоне от 10 м до 1 см часто объединяют названием - ультракороткие волны (УКВ), а под сверхвысокими частотами понимают ДМВ, СМВ и ММВ. Первое объясняется тем, что каждый из диапазонов с номерами от 8 и выше, имея особенности распространения, обладает некоторыми общими для всех диапазонов УКВ свойствами; а второе - тем, что в технических устройствах СВЧ для получения и выделения колебаний высоких частот в резонансных цепях вместо традиционных для более низких частот конденсаторов и катушек индуктивности используются другие конструкции: короткие отрезки проводных линий, металлические полоски, волноводы и коробчатые объемные резонаторы. Кроме того, радиоволны диапазонов от 9 и выше часто называют микроволнами.

Радиоволнам присущи общие для электромагнитных волн законы и явления, важнейшими из которых являются:

прямолинейное распространение радиоволн - распространение радиоволн в однородной (или слабо неоднородной) среде непосредственно от источника к месту приема по прямолинейным или близким к ним траекториям;

отражение радиоволн - изменение направления распространения радиоволн вследствие отражения от поверхности раздела двух сред или от неоднородностей среды;

дифракция радиоволн - изменение структуры поля волны под влиянием препятствий, представляющих собой пространственные неоднородности среды распространения, в частности, приводящие к огибанию радиоволной этих препятствий;

рефракция радиоволн - изменение направления распространения радиоволн вследствие изменения скорости их распространения при прохождении через неоднородную среду;

поглощение радиоволн - уменьшение энергии радиоволны вследствие частичного перехода ее в тепловую энергию в результате взаимодействия со средой;

рассеяние радиоволн - преобразование распространяющихся в одном направлении радиоволн в радиоволны, распространяющиеся в различных направлениях;

многолучевое распространение - распространение радиоволн от передающей к приемной антенне по нескольким траекториям;

интерференционные замирания радиоволн - квазипериодические изменения уровня поля вследствие прихода в место приема множества радиоволн с меняющимися во времени друг относительно друга фазами.

Таблица 2.1

Классификация диапазонов радиочастот и радиоволн

Номер полосы	Границы частот	Наименование частот	Границы длин волн	Наименование волн
		Очень низкие		Мириаметровые, или сверхдлинные (МИМВ, СДВ)
				Километровые, или длинные
	300…3000 кГц			Гектометровые, или средние
				Декаметровые, или короткие (ДКМВ, КВ)
		Очень высокие		Метровые
	300…3000 МГц	Ультравысокие		Дециметровые
		Сверхвысокие		Сантиметровые
				Миллиметровые
	300…3000 ГГц	Гипервысокие		Децимилли- метровые

В радиосвязи передача радиосигналов может производиться двумя путями: вдоль земной поверхности и с излучением в ионосферу и от нее обратно к поверхности Земли.

Исходя их этого, различают земные и ионосферные радиоволны.

Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости (в масштабе длины волны) земной поверхности, называются земными радиоволнами. Земные радиоволны включают прямые волны (распространяющиеся прямолинейно), волны, отраженные от земли, и поверхностные радиоволны (распространяющиеся вдоль поверхности раздела сред). Ионосферными называются радиоволны, распространяющиеся в свободном пространстве путем отражения от ионосферы или рассеяния в ней. Радиосвязь, использующую ионосферные волны, также определяют как ионосферную.

Ионосферу образует ионизированная область атмосферы, расположенная на высотах от 60…80 до 1000…1200 км над Землей. Основным источником ионизации атмосферы, под действием которой нейтральные молекулы и атомы газов, входящие в состав ионосферы, расщепляются на положительно заряженные ионы и свободные электроны, является ультрафиолетовое и рентгеновское излучение Солнца, а также корпускулярные потоки, в основном солнечного происхождения. Кроме того, ионизация атмосферы происходит под действием космических лучей дальних звезд и космической пыли, непрерывно попадающих в атмосферу Земли.

Степень ионизации, характеризуемая электронной плотностью, неодинакова по высоте вследствие неоднородности атмосферы. Поэтому ионосфера приобретает сложную многослойную структуру, в ней образуются ионизированные облака, электронная концентрация которых зависит как от высоты облака, так и от степени солнечной активности, толщины атмосферы и некоторых других причин. Распределение интенсивности ионизации по высоте в реальной атмосфере имеет несколько максимумов. Различают три области D, E, F (в порядке возрастания высоты над поверхностью Земли), в пределах которых существуют три ионизированных слоя того же названия. В дневные часы ионизированный слой F распадается на два слоя F1 и F2. Степень ионизации зависит от времени года, суток и географического месторасположения, причем для разных слоев эти зависимости различны. Средние высоты слоев и степень их ионизации (плотность электронов) показаны в табл. 2.2.

Для каждого слоя характерна своя критическая частота fкр, определяемая как наивысшая частота радиосигнала, при которой происходит отражение вертикально направленной радиоволны от этого слоя. При частоте выше критической радиоволна не отражается, а проходит через ионизированный слой ионосферы.

Одновременно с появлением новых электронов в ионосфере часть имеющихся в ней электронов исчезает, присоединяясь к положительным ионам и нейтральным молекулам. Процесс воссоединения заряженных частиц и образования молекул в атмосфере называется рекомбинацией.

Ионизацию, кроме Солнца, создают метеоры, вторгающиеся в земную атмосферу со скоростями несколько десятков километров в секунду. Метеорное вещество при попадании в плотные слои атмосферы нагревается и испаряется, причем частицы вещества, будучи ионизированными, ионизируют окружающий воздух. За счет этого средний уровень ионизации атмосферы возрастает. Кроме того, за метеором образуется столб ионизированного воздуха, имеющий форму цилиндра, который создает местную ионизацию. След метеора быстро расширяется и рассеивается, существуя в атмосфере от одной до нескольких секунд. Такие ионизированные следы метеоров образуются на высоте 80…120 км над земной поверхностью приблизительно между слоем D и слоем E. Радиосвязь, основанная на использовании отражения радиоволн от ионизированных слоев метеоров, называется метеорной радиосвязью. В линиях метеорной радиосвязи применяется прерывистый режим работы с предварительным накоплением информации и ее последующей передачей в период возникновения метеорных следов.

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:

	Стандартное обозначение

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.