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.

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.

Радиолинии

Радиолинии используют в качестве физической среды воздушное или космическое пространство. Они делятся на линии радиосвязи (ЛРС), радиорелейные линии (РРЛ) и спутниковые линии (СЛ).

Для использования радиолиний сигналы связи преобразуют в радиоволны, способные излучаться антеннами. Радиоволны представляют собой электромагнитные колебания с частотами от 30 кГц до 300 ГГц, распространяющиеся в свободном пространстве.

В линии радиосвязи используются радиопередатчик и радиоприемник с антеннами. Подлежащий передаче сигнал преобразуется передатчиком в радиоволну, которая излучается в свободное пространство. Эта волна принимается антенной радиоприемника и преобразуется сначала в первичный сигнал, а затем в сообщение. Протяженность линии радиосвязи и возможное число сигналов, передаваемых по ней, зависят от многих факторов: диапазона передаваемых частот, атмосферных условий, технических данных передатчика, приемника и антенн.

Ценными качествами линий радиосвязи являются возможность быстрой организации и невысокая стоимость. Важным является и то, что линии радиосвязи используются для связи с любыми подвижными объектами, а также для связи их между собой.

Рис 6.7 Схемы наземных радиолиний

Радиолинии могут состоять из нескольких участков, в пределах которых осуществляется радиосвязь по рассмотренной схеме: передатчик – приемник. В этом случае сигналы, переданные из первого пункта, принимаются, усиливаются во втором и передаются в третий, от него в четвертый и так далее по цепочке. Такие радиолинии называются радиорелейными линиями . Частоты, используемые для радиорелейной связи (2-8 ГГц), распространяются, подобно лучам света, прямолинейно. Поэтому и станции должны находиться на расстоянии прямой видимости (40-60 км).

По таким линиям можно передавать одновременно несколько тысяч телефонных сигналов или несколько телевизионных программ. Достоинством РРЛ является быстрота сооружений, особенно в труднодоступных и необжитых местах.

Рис. 6.8 Спутниковая линия связи

Разновидностью радиорелейных линий являются спутниковые линии. Радиосигналы с земной передающей станции излучаются в направлении искусственного спутника Земли, где принимаются, усиливаются и вновь передаются в направлении земной принимающей станции, которая может находиться даже на другой половине земного шара. Таким образом, радиоаппаратура искусственного спутника Земли исполняет роль промежуточной станции радиорелейной линии, находящейся на большой высоте.

Контрольные вопросы:

1. Что называется линией связи?

2. Перечислите типы линий связи.

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

За кажущейся простотой этой схемы скрыты десятилетия упорных исследований и экспериментов нескольких поколений ученых. И хотя основным принципам передачи и приема электромагнитных волн более 100 лет, до сих пор ученые бьются над повышением и понижением, увеличением и уменьшением, удешевлением и… Но реальность далека от идеала – увеличение в одном месте зачастую приводит к уменьшению в другом. И нет предела совершенству.

ПЕРЕДАТЧИК

Принцип работы передатчика можно понять из простого опыта. Для его проведения понадобятся батарейка, пара отрезков провода, фабричный или самодельный компас. Примитивный компас сделать очень просто: потрите магнитом обычную стальную швейную иголку, проткните ею кусочек пенопласта или другого легкого изоляционного материала и поместите конструкцию в чашку или блюдце с водой. Стрелка импровизированного компаса обязательно должна повернуться на север. Теперь все готово к построению передатчика.

Если вы проложите провод возле стрелки компаса на расстоянии 3–5 см и затем перемкнете им полюса батарейки, то в момент подключения вы сможете заметить небольшое отклонение или движение стрелки. Это говорит о том, что вы получили магнитное поле из электрического тока (поля). Заметьте, что отклонение стрелки происходит только в момент замыкания и размыкания провода. Это говорит о том, что магнитное поле возникает только при изменении направления тока, в нашем случае в начале и прекращении. Более научно: движение электронов создает электрическое поле в проводнике, изменения которого создают вокруг проводника магнитное поле и это поле влияет на стрелку. Просто и понятно. Мы открыли явление электромагнитной индукции, которое независимо от нас еще в 1831 сделал Майкл Фарадей. Так что лавры первооткрывателя, к сожалению, принадлежат не нам.

Опыт Фарадея.

Давайте усложним опыт. Возьмем два провода и разместим их параллельно на расстоянии примерно 3–5 см друг от друга. В цепь второго провода подключим чувствительный вольтметр (тестер или микроамперметр). Теперь при подключении первого провода к батарейке, прибор должен фиксировать возникновение тока во втором проводе. Ток конечно очень мал и вашему прибору может не хватить чувствительности, чтобы его зафиксировать. Но поверьте, он есть. Мы передали энергию на небольшое расстояние. Кстати это также сделал независимо от нас Генрих Герц в 1889.

Подведем итоги:

• Напряжение батарейки создает поток электронов в первом проводе;
• Движущиеся электроны создают магнитное поле вокруг провода;
• Магнитное поле влияет на второй провод и вызывает в нем движение электронов или электрическое поле;
• Электрическое поле во втором проводе появляется только тогда, когда изменяется магнитное поле, то есть в момент включения или выключения.

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

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

В качестве генератора высокочастотных колебаний на заре радиотехники применялся искровые генераторы, в которых между контактами проскальзывала мощная искра, создающая магнитное поле. В качестве примера подобного устройства можно привести свечу в автомобильном двигателе, которая создает электромагнитное поле при работе, но, к сожалению, эти «радиоволны» не доставляют радости ни владельцам автомобилей, ни владельцам радиоприемников, расположенных поблизости. Затем в передатчиках стали применять электрическую дугу – непрерывную «искру». «Бытовым» примером которой является электрический сварочный аппарат. Позднее появились так называемые машинные генераторы, в которых магнитное поле создавалось электродвигателем. Технология развивалась, и в наши дни полупроводниковые приборы вытеснили искру, генераторы, вакуумные лампы и многое из того, что считалось классическим для своего времени. Но, несмотря на достижения электроники, в современных передатчиках используются те же принципы, что и на заре радио.

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

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

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

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

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

Принцип модуляции.

Как видите все очень просто. Модулирующий сигнал изменяет либо амплитуду несущей, либо ее частоту. И в том, и в другом случае несущая нагружается полезным сигналом. Мы заставили электромагнитную волну нести наш голос и в результате получили радиопередатчик.

Упрощенная структурная схема радиопередатчика.

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

ПРИЕМНИК

Все мы пользуемся устройствами приема электромагнитных волн, но редко задумываемся о принципах их работы. В опыте, описанном выше, мы могли убедиться, что для приема радиосигналов достаточно обычного куска провода. Но провод позволяет только обнаружить сигнал. Чтобы его можно было выделить из множества других и услышать потребуется уже более сложное оборудование.

В первых приемниках созданных Поповым и Маркони для передачи информации использовался телеграф (точки и тире кода Морзе). В то время не особенно беспокоились над приемом сигналов конкретной радиостанции. Эфир был относительно чист. Кроме того, при приеме телеграфных сигналов можно было не задумываться о его качестве. Код Морзе можно было передавать хоть тоном, хоть треском, хоть скрипом. Главное – отличить точку от тире. Дальность связи в основном определялась мощностью передатчика и эффективностью (габаритами) антенн. В качестве регистратора сигналов в то время использовалось специальное устройство – когерер, представляющее собой стеклянную трубку, заполненную металлическими опилками. При прохождении электрического сигнала опилки спекались и становились проводником тока.

При включении когерера в цепь, состоящую из источника питания (батареи) и сигнального устройства (звонка или самописца) можно было фиксировать принятые точки и тире. При всей простоте способа, когерер не позволял принимать голос. Для этого требовались приборы, работающие на других принципах.

Радио развивалось. На смену когереру пришли более чувствительные устройства, такие как кристаллические детекторы, жидкостные бареттеры, магнитные детекторы и т.п. Большим достижением стало появление электронных ламп и полупроводниковых приборов.

НАСТРОЙКА НА ВОЛНУ

Для работы в эфире множества радиопередатчиков без помех друг другу, каждому из них выделяется строго определенная частота. В свою очередь радиоприемник должен быть также настроен на эту частоту. Во всех радиоприемных устройствах для этого используется колебательный контур – специальное устройство, представляющее собой замкнутую цепь, состоящую из катушки индуктивности и конденсатора. Катушка (ее иногда называют просто индуктивностью) – свитый в спираль провод, а конденсатор – близко расположенные металлические пластины, которые позволяют накапливать заряд (электрическую энергию).

Колебательный контур.

Если присоединить батарею к пластинкам (более научно – обкладкам) конденсатора, на нем появится электрический заряд. Нетрудно догадаться что пластина, соединенная с отрицательным полюсом батареи, зарядится отрицательно, а соединенная с положительным – положительно. На пластинах появится электрическое напряжение, которое будет возрастать до тех пор, пока конденсатор не зарядится до предела, соответствующего его электрической емкости. Чем больше емкость конденсатора, тем больший заряд «войдет» в него при данном напряжении, тем больше электрической энергии сосредоточится в электрическом поле между пластинами.

Запасенная энергия останется в конденсаторе и после отключения батареи. Если заряженный конденсатор подсоединить к катушке индуктивности, то накопившийся заряд вызовет протекание электрического тока через катушку. А мы уже знаем, что вокруг любого проводника с электрическим током возникает магнитное поле. Электрическая энергия конденсатора превратится в катушке в магнитную энергию, которая создаст магнитное поле.

Энергия, запасенная магнитным полем, разумеется, не может исчезнуть бесследно, она должна куда-то деться (перейти в другой вид энергии). Как это ни парадоксально, но магнитная энергия вызовет возникновение в породившей его катушке электрическое поле. В катушке возникнет ток, напряжение которого начнет заряжать конденсатор.

Подведем итоги:

Внешнее воздействие.

• Внешнее напряжение заряжает конденсатор;
• После заряда конденсатора до максимума, напряжение отключается.

Автономная работа.

• Конденсатор разряжается через катушку;
• В катушке возникает электрическое поле;
• Электрическое поле создает вокруг катушки магнитное поле;
• После окончания разряда конденсатора магнитное поле достигает максимума (тока в цепи нет);
• Магнитное поле начинает «возвращаться» в катушку;
• Влияние магнитного поля вызывает в катушке электрическое поле (возникает ток);
• На обкладках конденсатора появляется напряжение;
• Напряжение заряжает конденсатор;
• Заряд достигает максимума, магнитное поле минимума;
• Конденсатор начинает разряжаться через катушку;
• Через катушку течет ток, создавая электрическое поле… и т.д.

Следует отметить, что каждый цикл перехода энергии между электрическим и магнитным полем вызывает изменение направления тока в цепи и, следовательно, заряд на пластинах конденсатора меняется с положительного на отрицательный и наоборот. Полный цикл процессов происходящих в контуре называется колебанием, из-за чего контур и получил название колебательного.

Напрашивается идея создания «вечного двигателя» на основе колебательного контура. К сожалению «ничто не вечно под луной» и со временем колебания тока в контуре прекратятся подобно тому, как постепенно затухают колебания маятника. Ведь проводники из которых сделан контур обладают электрическим сопротивлением, из-за чего часть энергии затрачивается на его преодоление и превращается в тепло. Это основная причина энергетических потерь в контуре.

Колебания в электрическом контуре совершаются с очень большой частотой – тысячи и миллионы раз в секунду, т.е. тысячи и миллионы герц. Это частота определяется емкостью конденсатора и индуктивностью катушки. Чем больше число витков в катушке, тем меньше ее индуктивность (тем быстрее изменяется сила тока в контуре). Чем меньше емкость конденсатора, тем меньше времени нужно на его заряд и разряд. Меняя величину емкости или индуктивности, легко настроить контур на любую частоту.

ПОРА ОГЛЯНУТЬСЯ

Теперь мы можем более конкретно объяснить, как же работает передатчик.

Электромагнитное поле возникает при электрических колебаниях в контуре, т.е. в замкнутой цепи, содержащей конденсатор и катушку индуктивности. При каждом изменении направления электрического тока в контуре вокруг него возникает изменяющееся магнитное поле, а оно (согласно теории Максвелла и из практики), обязательно рождает электрическое поле. Замкнутые силовые линии полей как бы отрываются от пластин конденсатора и отправляются путешествовать в пространство.

К ЧЕМУ ВСЕ ЭТО?

Могут спросить нетерпеливые читатели. К чему столько сложностей, ведь мы говорим о радиосвязи? Дело в том, что на колебательном контуре базируется вся наука передачи и приема радиосигналов (и не только она).

При воздействии на контур внешней энергией, например, переменным электрическим током, в нем возникают так называемые вынужденные колебания. Если частота сигналов совпадет с частотой колебаний контура, возникнет явление резонанса – амплитуда колебаний достигает наибольшей величины. При этом не надо увеличивать амплитуду подводимого колебания, нужно только, чтобы частота этих колебаний равнялась частоте настройки контура. Именно это явление и позволяет настраивать приемник на определенную частоту и выделять нужную станцию среди множества других. Физическую сущность этого явления можно продемонстрировать на примере качелей. Для того чтобы они не остановились необходимо их подталкивать в такт с собственными колебаниями. Даже если каждый толчок очень слаб, он передаст качелям небольшую порцию энергии и постепенно их можно раскачать достаточно сильно. Так же можно «раскачать» и электрический контур, если подавать в него энергию в такт его собственным колебаниям. Из электрических колебаний различных частот контур выделит только ту, которая вызовет явление резонанса. Из слабых «подталкиваний» контур постепенно накопит значительную энергию. Конечно, контур не сможет собирать «толчки» и увеличивать амплитуду колебаний беспредельно. Чем больше амплитуда напряжения на контуре, тем через него течет больший ток и, естественно, тем больше потери (больше энергии рассеивается в виде тепла).

Колебательный контур «пропускает» только резонансную частоту.

Чтобы настроить контур в резонанс необходимо менять его частоту. Как уже было сказано, это достигается изменением параметров индуктивности или емкости. Технологически менять емкость проще, чем индуктивность, поэтому в основном применяют именно изменение емкости. Классическим элементом, позволяющим изменять емкость, является конденсатор переменной емкости (КПЕ), которым и осуществляют настройку на частоту резонанса.

Слева – схематичное устройство КПЕ. Справа – внешний вид двухсекционного КПЕ.

Раньше механический КПЕ был единственным устройством настройки, но в процессе развития радио появились более удобные и надежные элементы. Например, варикап – полупроводниковый элемент у которого емкость меняется изменением управляющего напряжения. Или так называемый электронный эквивалент конденсатора, который представляет собой не традиционное устройство с двумя пластинами, а интегральную схему, функционально выполняющую те же задачи.

Теперь мы знаем, как выделить из эфирного хаоса нужную частоту. Что же дальше? Ведь полученные таким образом сигналы являются высокочастотными, а наш голос – низкочастотный звуковой сигнал.

ЗАБЕГАЯ НАЗАД

Давайте сделаем небольшое отступление. Настала пора вспомнить об антеннах. Эти устройства и позволяют улавливать (и передавать) электромагнитные волны. Может быть у кого-то вызовет недоумение, почему речь о них заводится не в начале повествования. Это не ошибка. Мы преднамеренно подняли вопрос об антеннах после описания колебательного контура, так как антенна, по сути, тоже колебательный контур, но со слабо выраженными резонансными свойствами. Обычно антенну рассматривают как катушку индуктивности, а емкостью будет… она же, выступающая в роли одной из обкладок конденсатора, второй же обкладкой будет поверхность земли. Становится очевидным, что параметры антенны также влияют на способность приемника принимать определенную радиостанцию. Индуктивность и емкость антенны, определяется ее геометрическими размерами, конструкцией, материалом и т.п. Рассчитать антенну гораздо сложнее, чем обычный колебательный контур, состоящий из катушки и конденсатора. Со времен изобретения радио ученые бьются над созданием идеальной антенны, эффективность которой была бы максимальной, а размеры минимальны. Но, к сожалению, идеальность недостижима.

Антеннам посвящена масса всевозможных публикаций в различных источниках, кого это интересует, могут «порыться» в Интернете. Не будем усложнять и без того непростой рассказ, а приведем лишь общие тезисы.

Антенна – колебательная система и для достижения максимальной эффективности ее необходимо настроить в резонанс с принимаемой (в приемнике) и передающей (в передатчике) частотой.

Антенна способна принимать сигналы всех радиочастот, но из-за своих колебательных свойств будет более эффективно работать в пределах определенного диапазона, на который она рассчитана.

В самом простом виде антенна это кусок провода. В радиостанциях и высококачественных приемниках антенна представляет собой довольно сложную конструкцию, от которой в большой степени зависит способность приемника принимать слабые сигналы.

ПЕРЕХОДИМ НА ПРИЕМ

В общем случае процесс приема сигнала выглядит следующим образом:

• Электромагнитные волны наводят в антенне токи высокой частоты;
• Эти токи поступают на входной контур;
• Контур выделяет из множества частот только узкую полосу, на которую он настроен;
• Из высокочастотного сигнала необходимо выделить скрытый в нем полезный сигнал низкой частоты (звук, цифровые данные);
• Электрический сигнал низкой частоты надо преобразовать либо в звуковой сигнал, который можно прослушать, либо, если идет обмен цифровыми данными, в вид, воспринимаемый конечным потребителем.

ДЕТЕКТОРНЫЙ ПРИЕМНИК

Процесс выделения звука или данных из высокочастотного сигнала называется демодуляцией (процесс обратный модуляции) или иначе – детектированием. Осуществляется демодуляция детектором. За долгую историю радио в качестве детектора использовались различные устройства. Вначале это были кристаллические, жидкостные или магнитные детекторы, затем появились вакуумные диоды (электронные лампы) и, наконец, в качестве детектора стали применяться полупроводниковые элементы.

Наглядно процесс детектирования высокочастотного сигнала можно рассмотреть на примере детекторного радиоприемника – прадедушки современных систем связи.

Выпрямление электрического тока диодом.

Схема детекторного приемника и форма сигналов в различных точках.
1 – ВЧ сигнал, выделенный колебательным контуром; 2 – сигнал после выпрямления детектором; 3 – НЧ сигнал, поступающий на наушники.

Из принятых антенной ВЧ сигналов выделяется тот, в резонанс с которым настроен колебательный контур. Форма сигнала в точке 1 представляет собой высокочастотный сигнал, модулированный по амплитуде. Задача детектора состоит в том, чтобы «вырезать» положительную полуволну, которая также содержит полезную информацию в виде изменения амплитуды – так называемую огибающую (показана пунктирной линией). Но высокочастотный сигнал нельзя прослушать, для этого нужна звуковая частота. Для удаления ВЧ составляющей в схему после диода включен конденсатор, емкость которого выбрана таким образом, чтобы он пропускал только низкочастотную составляющую сигнала, а высокочастотную, как говорят на радиотехническом сленге, «замыкал на землю». В результате мы имеем сигнал эквивалентный переданному радиопередатчиком.

Конечно, детекторные приемники не используются для серьезных задач и представляют скорей академический интерес. Но на их примере можно проследить процессы, протекающие в более сложных радиоприемных устройствах.

К недостаткам детекторных приемников следует отнести низкую чувствительность и избирательность (возможность принимать конкретную станцию без помех со стороны других станций с близкой частотой), слабый уровень воспроизводимого сигнала. Как видно из схемы, в детекторном радиоприемнике нет даже источника питания – он работает на энергии радиоволн. Уровень этой энергии настолько мал, что позволяет прослушивать на наушники сигналы только мощных близлежащих радиостанций. Детекторный приемник позволяет принимать только амплитудно-модулированные сигналы, которые в настоящее время используются в основном только в коротковолновом и средневолновом радиовещании. В локальном городском радиовещании и телевидении, в системах коммуникаций используют более совершенные виды модуляции: частотную, фазовую, импульсную и т.п.

Несмотря на недостатки, для многих наших пра- или прапрадедушек и бабушек детекторный приемник был единственным окном в информационный мир радио. С его помощью принимались радиосигналы в течение двух десятилетий с начала XX века. Дальнейшие изобретения более совершенных схем и элементов хотя и потеснили первый приемник, но не вытеснили полностью. Детекторные приемники совершенствовали и улучшали, украшали и дорабатывали. Для многих изготовление детекторных приемников было увлечением, а для кого-то становилось профессией. Вплоть до начала третьего тысячелетия для большинства мальчишек путь в электронику начинался с изготовления именно детекторного приемника, несмотря на его вековой возраст.

СУПЕРГЕТЕРОДИН

Революция произошла в 1913 году, когда гениальный американский изобретатель Эдвин Армстронг предложил схему супергетеродинного приемника. Схема оказалась настолько удачной, что до настоящего времени девять из десяти приемников работают на этом принципе. Смысл загадочного слова супергетеродин заключается в том, что выделенный входным контуром высокочастотный сигнал сначала преобразуется в другую частоту, постоянную для данного типа приемника, а затем на этой, так называемой промежуточной частоте, производится усиление основного сигнала и ослабление мешающих. Благодаря постоянству промежуточной частоты в супергетеродине удается сравнительно простыми средствами получить высокую чувствительность и избирательность приемника.

Блок-схема классического супергетеродинного приемника.

В чем же прелести супергетеродина и почему он завоевал такую популярность?

Как видно из блок-схемы, настройка на радиостанцию осуществляется таким же колебательным контуром, как и в детекторном приемнике. Но дальше начинается самое интересное. Диковинное слово гетеродин – это маломощный перестраиваемый генератор (кстати, давший название принципу). «Но это же не передатчик – спросите вы, – зачем в приемнике генератор?». И будете совершенно… не правы. Оказывается, генератор применяется во всех современных приемниках, но его функции отличаются от функций выполняемых в радиопередатчиках.

В приемнике генератор вырабатывает колебания, которые в дальнейшем складываются с радиочастотой. Причем, как видно из схемы, частота гетеродина синхронно изменяется вместе с настройкой входного контура (с помощью многосекционного КПЕ). Это нужно для того, чтобы частота сигнала, полученная после сложения, всегда оставалась постоянной. Это будет промежуточная частота (ПЧ). Она не зависит от выбранного диапазона настройки и от частоты принимаемой радиостанции. Постоянство ПЧ, получаемой на выходе смесителя, позволяет гораздо эффективней отфильтровать нежелательные сигналы соседних радиопередатчиков, эфирные помехи и т.п. Это связано с тем, что конструктивно легче создать качественный фильтр на постоянную частоту, нежели на меняющуюся. Промежуточная частота выбирается таким образом, чтобы ее значение не попадало в область частот передающих радиостанций (обычно 465 кГц в отечественной аппаратуре и 455 кГц – в импортной). Кроме того, относительно низкая ПЧ не так требовательна к качеству применяемых элементов (транзисторов, микросхем, фильтров, конденсаторов). Они могут быть низкочастотными и, следовательно, более дешевыми.

Кроме выделения сигнала входным колебательным контуром, сигнал проходит еще через один настраиваемый контур (после усилителя ВЧ, см. схему). Это позволяет еще в большей степени избавиться от нежелательных входных сигналов. В ламповую эпоху развития радио супергетеродинные приемники оснащались несколькими резонансными каскадами, каждый из которых подстраивался своей секцией КПЕ, управляемой общей ручкой. Появление качественных полупроводниковых приборов позволило упростить механическую часть схемы, а в дальнейшем и вовсе отказаться от механических КПЕ. В современных радиоприемных устройствах механические конденсаторы переменной емкости встречаются очень редко.

«СУПЕР-СУПЕРГЕТЕРОДИН» ИЛИ СУПЕРГЕТЕРОДИН С ДВОЙНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЧАСТОТЫ

В приемной части современных радиостанций в большинстве случаев применяется более сложный вид супергетеродинной схемы. Так называемый супергетеродин с двойным преобразованием частоты. От обычного супергетеродина он отличается наличием второго преобразователя и второй промежуточной частоты. Это позволяет обеспечить еще большую чувствительность, избирательность и помехозащищенность. Схема супергетеродина с двойным преобразованием похожа на схему обычного супергетеродина, но с добавлением еще одного гетеродина, смесителя, а также соответствующих каскадов усиления и фильтрации. Первая промежуточная частота обычно более высокая (10.7, 17, 21, 45… МГц), а вторая более низкая (455 кГц).

Блок-схема супергетеродинного приемника с двойным преобразованием частоты.

Большинство приемников современных радиостанций и другого радиосвязного оборудования собираются по схеме супергетеродина с двойным преобразованием. В некоторых случаях, в частности в высококлассных любительских приемниках и в специальной технике, применяются супергетеродинные схемы с тройным преобразованием. Их принцип работы очевиден из названия.

1. Основы радиосвязи. Основы радиосвязи и телевидения

1. Основы радиосвязи

Целью изучения данной темы является ознакомление с общими принципами организации радиосвязи, изучение структурных схем систем радиосвязи, основных функциональных узлов радиопередатчиков и радиоприемных устройств, знакомство с основными техническими показателями приемопередающих устройств.

1.1. Общие принципы организации радиосвязи

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

Звуковые колебания, воспринимаемые человеческим слухом, лежат обычно в полосе частот от 20 до 20 000 Гц, т.е. такие колебания создадут волны длиной от 15 000 до 15км. Антенны же могут эффективно излучать электромагнитные колебания только тогда, когда их размеры соизмеримы с длиной волны.

Однако сами по себе колебания высокой частоты информацию не несут. Посылать их по линии связи бесполезно. Так же бесполезно, как посылать телеграмму с адресом, но без текста: она дойдет сравнительно быстро, но ее получатель сведений не получит.

Таким образом, в нашем распоряжении есть сообщение, содержащее информацию, но не способное дойти до получателя. Есть и высокочастотное колебание, которое найдет своего получателя, но не принесет ему информацию. Как соединить вместе необходимые качества сообщения и безынформативного колебания?

Единственный способ - попытаться наложить на высокочастотное колебание отпечаток сообщения, т.е. использовать высокочастотное колебание лишь в роли переносчика сообщения, содержащего информацию. С этой целью нужно изменять один или несколько признаков (параметров) несущего колебания в соответствии с изменениями сообщения. Тогда мы получим высокочастотное колебание с меняющимися во времени параметрами по закону передаваемого сообщения. Рассмотренный процесс называется модуляцией.

Рисунок 1.1. Структурная схема радиолинии

На рисунке 1.1 приведена упрощенная структурная схема радиолинии. Передаваемое сообщение поступает на преобразователь (микрофон, телевизионную камеру или телеграфный аппарат), который преобразует его в электрический сигнал. Последний поступает на радиопередающее устройство, состоящее из модулятора (М), синтезатора несущей частоты (СЧ) и усилителя модулированных колебаний (УМК). С помощью модулятора один из параметров высокочастотного колебания изменяется по закону передаваемого сообщения. С помощью антенны (А) энергия радиочастотных колебаний передатчика излучается в тракт распространения радиоволн.

На приемном конце радиоволны наводят ЭДС в антенне. Радио-приемное устройство с помощью селективных (избирательных) цепей (СЦ) отфильтровывает сигналы от помех и других радиостанций. В детекторе (Д) происходит процесс, обратный модуляции, – выделение из модулированных колебаний исходного электрического сигнала, который управлял радиопередатчиком. С помощью преобразователя (громкоговорителя, телеграфного аппарата, приемной телевизионной трубки) электрический сигнал связи преобразуется в сообщение, доставляемое абоненту.

Рассмотренная радиолиния обеспечивает одностороннюю передачу сообщения, что приемлемо только в службах оповещения. Одностороннюю радиосвязь представляет собой, в сущности, и радиовещание, хотя в этом случае прием ведется не в одном, а во множестве пунктов. Прием во многих пунктах ведется также при циркулярной передаче: распоряжения передаются многим исполнителям; сообщения передаются из пресс-центра редакциям газет и т.д.

Для организации двусторонней радиосвязи в каждом пункте надо иметь и передатчик и приемник. Если при этом передача и прием на каждой радиостанции осуществляются поочередно, то такая радиосвязь называется симплексной (рисунок 1.2, а ). Двусторонняя радиосвязь, при которой связь между радиостанциями реализуется одновременно, называется дуплексной (см. рис. 1.2, б ).

При дуплексной радиосвязи передача в одном и другом направлениях ведется, как правило, на разных несущих частотах. Это делается для того, чтобы приемник принимал сигналы только от передатчика с противоположного пункта и не принимал сигналов собственного передатчика.

Для радиосвязи на большие расстояния применяют радиопередатчики мощностью в десятки и сотни киловатт. Поэтому, хотя при дуплексной связи приемник настраивается не на ту частоту, на которую настроен свой передатчик, трудно обеспечить его нормальную работу вблизи мощного передатчика. Исходя из этого приемник и передатчик приходится размещать на расстоянии в десятки километров друг от друга.

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

Если необходимо иметь радиосвязь с большим числом объектов, то организуется так называемая радиосеть (рисунок 1.3). Одна радиостанция, называемая главной (ГР), может передавать сообщения как для одного, так и для нескольких подчиненных объектов. Ее радист-оператор следит за порядком в радиосети и устанавливает очередность работы на передачу подчиненных станций (ПР). Последние при соответствующем разрешении могут обмениваться информацией не только с ГР, но и между собой. Этот вариант организации радиосети может быть построен на основе как сложного симплекса (рисунок 1.3, а), так и сложного дуплекса (рисунок 1.3, б). В первом случае возможно использование совмещенных приемопередатчиков и общей рабочей радиоволны (частоты). Во втором случае ГР ведет передачу на одной частоте, а принимает на нескольких (по числу подчиненных радиостанций). Несмотря на различие в частотах приема и передачи, здесь, как и при простом дуплексе, необходимо располагатьприемник и передатчик на удалении друг от друга. Иначе из-за помех, создаваемых передающим устройством, одновременный прием сообщений может стать невозможным.

Рисунок 1.3. Структурные схемы радиосетей:

а – сложный симплекс; б – сложный дуплекс.

Центры крупных промышленных районов соединяются линиями радиосвязи со многими пунктами. В этих условиях передатчики и передающие антенны располагают на радиостанции, которую называют передающим радиоцентром. Приемники и приемные антенны располагают на приемном радиоцентре.

Процессы в электроэнергетических сооружениях, на электрифициро-ванных железных дорогах, в электрических установках и бытовых электроприборах, множество которых имеется в городах, связаны с излучением электромагнитных волн. Поскольку эти излучения могут быть помехами радиоприему, приемный радиоцентр обычно помещается в стороне от населенных пунктов и железных дорог. Для соединения источников сообщения с радиопередатчиками и радиоприемниками и контроля качества радиосвязи в городах оборудуют радиобюро.

1.2. Радиопередающие устройства

Основные функциональные узлы радиопередатчика. Схема и конструкция радиопередатчика зависят от различных факторов: назначения, диапазона рабочих волн, мощности и т.д. Тем не менее можно выделить некоторые типичные блоки, которые с теми или иными вариациями имеются в большинстве передатчиков.

Структура передатчика (рисунок 1.4) определяется его основными общими функциями, к которым относятся:

• получение высокочастотных колебаний требуемой частоты и мощности;

• модуляция высокочастотных колебаний передаваемым сигналом;

• фильтрация гармоник и прочих колебаний, частоты которых выходят за пределы необходимой полосы излучения и могут создать помехи другим радиостанциям;

• излучение колебаний через антенну.

Рисунок 1.4. Функциональная схема радиопередатчика.

Остановимся более подробно на требованиях к отдельным функциональным узлам радиопередатчика.

Генератор высокой частоты, часто называемый задающим или опорным генератором, служит для получения высокочастотных колебаний, частота которых соответствует высоким требованиям к точности и стабильности частоты радиопередатчиков.

Синтезатор преобразует частоту колебаний опорного генератора, которая обычно постоянна, в любую другую частоту, которая в данное время необходима для радиосвязи или вещания. Стабильность частоты при этом преобразовании не должна существенно ухудшаться. В отдельных случаях синтезатор частоты не нужен, например если генератор непосредственно создает колебания нужной частоты. Однако с синтезатором легче обеспечить требуемую высокую точность и стабильность частоты, так как он, во-первых, работает на более низкой частоте, на которой легче обеспечить требуемую стабильность; во-вторых, он работает на фиксированной частоте. Кроме того, современные синтезаторы приспособлены для дистанционного или автоматического управления синтезируемой частотой, что облегчает общую автоматизацию передатчика.

Промежуточный усилитель высокой частоты, следующий за синтезатором, необходим по следующим причинам:

• благодаря промежуточному усилителю с достаточно большим коэффициентом усиления от опорного генератора и синтезатора не требуется значительной мощности;

• применение промежуточного усилителя между синтезатором и мощным усилителем ослабляет влияние на генератор и синтезатор возможных регулировок в мощных каскадах передатчика и в антенне.

Усилитель мощности (его называют генератором с внешним возбуждением ) увеличивает мощность радиосигнала до уровня, определяемого требованиями системы радиосвязи. Главным требованием к усилителю мощности является обеспечение им высоких экономических показателей, в частности коэффициента полезного действия.

Выходная цепь служит для передачи усиленных колебаний в антенну, для фильтрации высокочастотных колебаний и для согласования выхода мощного оконечного усилителя с антенной, т.е. для обеспечения условий максимальной передачи мощности.

Модулятор служит для модуляции несущих высокочастотных колебаний передатчика передаваемым сигналом. Для этого модулятор воздействует в зависимости от особенностей передатчика и вида модуляции (амплитудная, частотная, однополосная и др.) на один или несколько блоков из числа обведенных пунктиром на рисунке 1.4. Например, частотная модуляция может получаться в синтезаторе частоты либо (реже) в генераторе высокой частоты; амплитудная модуляция получается воздействием на мощный и промежуточный усилители.

Устройство электропитания обеспечивает подведение ко всем блокам токов и напряжений, необходимых для нормальной работы входящих в их состав транзисторов, ламп и прочих электронных элементов, а также систем автоматического управления, устройств защиты от аварийных режимов и прочих вспомогательных цепей и устройств. Система электропитания содержит выпрямители, электромашинные генераторы с двигателями внутреннего сгорания, аккумуляторы, инверторы (преобразователи) низкого постоянного напряжения в более высокое или обратно, трансформаторы, коммутационную аппаратуру, резервные источники питания и устройства для автоматического перехода с основного источника на резервный в случае неисправностей и т.п.

На рисунке 1.4 не показаны многочисленные объекты вспомога-тельного оборудования, входящие в состав передатчика (особенно мощного), например средства автоматического и дистанционного управления; контрольно-измерительные приборы, устройства дистанционного контроля и сигнализации; устройства защиты и блокировки, выключающие цепи высокого напряжения при аварийных режимах или опасности для обслуживающего персонала и др.

Радиопередатчики диапазонов километровых, гектометровых и декаметровых волн обычно размещаются группами на специальных предприятиях – передающих радиостанциях. При большом числе передатчиков радиостанции называются радиоцентрами. Радиовещательные передатчики метровых и дециметровых волн, кaк правило, размещаются вместе с передатчиками телевизионного вещания. Предприятия связи, на которых установлены эти передатчики, называются радиотелевизионными передающими станциями (центрами).

Технические показатели радиопередатчиков. К основным показателям радиопередатчика относятся: диапазон волн, мощность, коэффициент полезного действия, вид и качество передаваемых сигналов.

В соответствии с классификацией волн различают передатчики километровых, гектометровых, декаметровых и других волн. С этим различием связаны соответствующие особенности конструкций, так как в разных диапазонах различны конструкции колебательных контуров и типов усилительных элементов. Передатчик может работать на одной или нескольких выделенных для него фиксированных волнах, либо он может настраиваться на любую длину волны в непрерывном диапазоне волн.

Мощность передатчика обычно определяется как максимальная мощность высокочастотных колебаний, поступающая в антенну при отсутствии модуляции, при непрерывном излучении. Однако этой характеристики недостаточно для оценки мощности радиопередатчика. Дело в том, что в технике радиосвязи часто приходится иметь дело с сигналами, напряжение которых изменяется в очень широких пределах и в сравнительно короткие промежутки времени может принимать значения, в несколько раз превосходящие средний уровень. Характерным примером подобного режима может служить радиолокационный передатчик, излучающий импульсы длительностью около 1 мксек, разделенные интервалами около 1 мсек, т.е. в 1000 раз большей длительности. Если бы при проектировании передатчика расчет велся на то, что в моменты этих выбросов мощность излучения соответствовала бы номинальной мощности, то фактическая средняя мощность излучения была бы во много раз меньше. Передатчик был бы использован значительно слабее своих возможностей, а при необходимости обеспечить большую дальность радиосвязи потребовалось бы применить передатчик значительно большей мощности.

В системах радиовещания промежутки времени, в которые амплитуда колебаний достигает максимальных значений, занимают обычно большую часть общего времени работы передатчика (например, 10-20%), длительность их доходит до десятков миллисекунд, но и в этом случае описанное временное форсирование передатчика возможно, хотя и в меньших пределах.

В соответствии с изложенным мощность передатчика, помимо цифры максимальной мощности, при непрерывной работе характеризуют значениями пиковой мощности, которая может быть обеспечена в течение ограниченных промежутков времени. Например, если средняя мощность передатчика при непрерывной работе 100 кВт, то она может доходить до 200 кВт, если длительность импульсов не превышает интервалов между ними.

Важнейшими показателями радиопередатчика являются стабильность излучаемой им частоты и уровень побочных излучений. Дело в том, что если строго соблюдается присвоенная данному передатчику частота сигнала, то настроенный на эту частоту приемник начинает принимать передаваемые сигналы тотчас после включения, не требуя подстроек; это способствует удобству эксплуатации и высокой надежности радиосвязи, а также облегчает автоматизацию оборудования. Кроме того, частотные диапазоны, используемые для радиосвязи и вещания, переуплотнены сигналами одновременно работающих радиостанций, поэтому если частота передатчика отличается от разрешенного значения, то она может приблизиться к частоте другого передатчика, что вызовет помехи приему его сигналов.

По существующим международным нормам отклонение от номинала частоты передатчика для радиосвязи на гектометровых волнах не должно превышать 0,005%; для радиовещательных передатчиков отклонение частоты в этом диапазоне не должно превышать 10 Гц. На декаметровых волнах допустимая нестабильность частоты для передатчиков мощностью более 0,5 кВт равна 15·10 - 6 , что соответствует в диапазоне от 4 до 30 МГц абсолютному отключению частоты от 60 до 450 Гц. Некоторые системы радиосвязи по своему принципу требуют, чтобы стабильность частоты была значительно лучше, чем предусматривается указанными нормами.

Гармоническими излучениями (гармониками) передатчика называются излучения на частотах, в целое число раз превышающих частоту передаваемого радиосигнала.

Известно, что при действии в нелинейной цепи, например двух ЭДС с частотами f 1 и f 2 спектр тока содержит, помимо составляющих с этими частотами и их гармоник, также составляющие с частотами вида mf 1 ± nf 2 , где т и п –целые числа. Это явление и лежит в основе взаимной модуляции; оно обусловлено наличием в передатчике элементов, обладающих нелинейными характеристиками, главным образом транзисторов или электронных ламп.

Интенсивность побочных излучений характеризуется мощностью соответствующих колебаний в антенне передатчика. Например, по действующим международным нормам радиопередатчики на частотах до 30 МГц должны иметь мощность побочных излучений не менее чем в 10000 раз (на 40 дБ) ниже мощности основного излучения и не более 50 мВт.

Показатели, определяющие качество передачи вещательного сигнала (электроакустические показатели), в принципе не отличаются от аналогичных параметров электрического канала вещания, что естественно, поскольку передатчик является частью канала – трактом вторичного распределения.

Некоторое отличие заключается лишь в том, что эти показатели нормируются и измеряются относительно уровня сигнала, соответствующего определенному коэффициенту модуляции сигналом частотой 1000 Гц. Для допустимого отклонения амплитудно-частотной характеристики этот коэффициент равен 50%.

Коэффициент гармоник определяется при коэффициенте модуляции 50, 90, а также 10%, что обусловлено наличием в модуляторе передатчика специфических искажений вида двустороннего ограничения, заметных при большом коэффициенте модуляции, вида центральной отсечки, заметных при малом коэффициенте модуляции. Защищенность от интегральной помехи и от псофометрического шума измеряется относительно уровня модулирующего сигнала, соответствующего 100% модуляции. Эксплуатационный персонал часто употребляет термин уровень шумов, который оценивается в децибелах относительно уровня модулирующего сигнала с частотой 1000 Гц, соответствующего коэффициенту модуляции 100%. Численно он равен величине запрещенности от интегральной помехи, взятой со знаком "минус".

1.3. Радиоприемные устройства

Назначение и классификация радиоприемных устройств. Радиоприемные устройства используют для радиосвязи, звукового и телевизионного вещания, радионавигации, радиолокации, paдио-, телеуправления и т.д. Радиоприемное устройство должно содержать все необходимые узлы для осуществления следующих процессов:

• выделения из всей совокупности электрических колебаний, создаваемых в антенне внешними электромагнитными полями, сигнала от нужного радиопередатчика;

• усиления высокочастотного сигнала;

• детектирования, т.е. преобразования высокочастотного модулированного сигнала в ток, изменяющийся по закону модуляции;

• усиления продетектированного сигнала.

Дальнейшее преобразование сигнала зависит от конкретных особенностей применения радиоприемника. Если, например, приемник предназначен для одноканальной радиотелефонной связи либо звукового или телевизионного вещания, то принятый сигнал после усиления превращается в звук и изображение при помощи телефона, громкоговорителя и приемной телевизионной трубки.

Если приемник предназначен для многоканальной радиосвязи, то продетектированный и усиленный сигнал подводится к оконечному устройству, в котором происходит разделение сигналов по отдельным каналам и, если требуется, дополнительная их обработка.

Применяемые в настоящее время радиоприемники делятся на профессиональные и бытовые. Первые предназначаются для использования на линиях радиосвязи и для решения различных навигационных, телеметрических и других специальных задач. Вторые служат для приема программ звукового и телевизионного вещания.

Радиоприемные устройства можно классифицировать:

• по роду работы (радиотелефонные, радиотелеграфные, телевизионные, радионавигационные, радиолокационные и др.);

• по виду модуляции (с амплитудной модуляцией (AM), частотной модуляцией (ЧМ), однополосной амплитудной модуляцией (ОБП) и т.д.);

• по диапазону волн принимаемых сигналов (километровые, гектометровые, декаметровые и т.д.);

• по месту установки (стационарные, переносные, самолетные, автомобильные и др.);

• по схеме электропитания (от сети постоянного и переменного токов).

Основные показатели радиоприемников. Показатели радиоприемников определяются их назначением. Для радиоприемников разных типов они могут быть различными.

Чувствительность характеризует способность приемника принимать слабые сигналы. Она обычно оценивается наименьшим значением ЭДС или мощностью радиосигнала в антенне, при которой возможен устойчивый прием с нормальным воспроизведением сигнала без недопустимого искажения его помехами.

Чувствительность приемников в зависимости от их назначения может колебаться в широких пределах. Так, чувствительность радиовещательных приемников находится в пределах 50-300 мкВ в зависимости от класса качества. Чувствительность радиолокационных приемников имеет значения порядка 10 -12 - 10 -15 Вт. Для приемников с ферритовой антенной используется понятие чувствительности по напряженности поля. Она имеет значение от 0,3 до 5 мВ/м.

Высокая чувствительность может быть практически реализована лишь в том случае, если уровень внешних помех или собственных шумов на выходе приемника в несколько раз ниже уровня сигнала. Поэтому приемники разных видов необходимо характеризовать не только их чувствительностью, но и так называемой реальной чувствительностью, под которой понимается минимальная ЭДС в антенне, при которой обеспечивается не только нормальная мощность на выходе, но получается определенное превышение уровня сигнала над уровнем внешних помех или собственных шумов.

Избирательностью (селективностью) радиоприемного устройства называется его способность выделять из различных сигналов, отличающихся по частоте, сигнал принимаемой станции. В соответствии с этим избирательность приемника оценивается как относительное ослабление сигналов посторонних радиостанций, работающих на различных волнах, по отношению к сигналам принимаемого передатчика, на волну которого этот приемник настроен. Избирательность осуществляется главным образом входящими в состав приемника колебательными контурами и фильтрами.

Понятие избирательности поясняет рисунок 1.5, на котором показан спектр частот трех радиостанций, из которых две крайние мы рассматриваем как помехи. Из рисунка 1.5 видно, что если фильтры приемника обладают прямоугольной частотной характеристикой, соседние (мешающие) радиостанции не создадут на его выходе никакого сигнала (рисунок 1.5 б). Если же частотная характеристика фильтра далека от идеальной, то на его выходе кроме полез ного сигнала будет прослушиваться помеха (рисунок 1.5 в).

Естественно, что наибольшие трудности представляет ослабление помех от ближайших по частоте посторонних сигналов, т.е. сигналов соседнего частотного канала. Поэтому для оценки качества приемника всегда определяется его селективность в отношении помех соседнего канала.

В первом приближении количественную оценку избирательности можно производить по резонансной характеристике приемника, изображающей зависимость коэффициента усиления от частоты колебаний в антенне. Благодаря применению колебательных контуров и фильтров резонансная характеристика при настройке приемника на какую-либо частоту сигнала имеет вид, подобный рисунку 1.6. Избирательность в отношении помехи на частоте f c определяется вэтом случае как

Где К 0 – коэффициент усиления на частоте настройки; К п – коэффициент усиления на частоте f п.

Селективность удобно определять также в децибелах:

Так как передаваемое сообщение имеет определенную полосу частот, другой не менее важной функцией приемника является прием сигнала высокой частоты со всеми его боковыми частотами, т.е. одновременный прием определенной полосы частот. При этом необходимо, чтобы соотношения между амплитудами составляющих спектра сигнала оставались без изменений. Последнее можно обеспечить лишь при постоянной чувствительности приемника в определенной полосе частот. Поэтому понятно, что идеальная амплитудная частотная характеристика (АЧХ) приемника должна быть прямоугольной. При такой форме приемник одинаково принимает спектр боковых частот полезного сигнала, т.е. полоса пропускания такого устройства однозначно определяется как 2 f . Одновременно приемник с такой АЧХ обладал бы идеальной избирательностью, поскольку не пропускал бы сигналов мешающих станций и помех, частоты которых отличаются на f .

Частотная характеристика реального приемника отличается от прямоугольной. Полосой пропускания в данном случае называют область частот, в пределах которой ослабление спектра принимаемых колебаний не превышает заданного значения. Считается, что искажения будут не заметны на слух, если неравномерность АЧХ в пределах полосы пропускания не превышает 3 дБ. Это соответствует уровню . Именно на этом уровне отсчитывается полоса пропускания. Частотные свойства контура могут быть заданы его добротностью .

Качество воспроизведения принятого сигнала зависит от различного рода искажений сигнала в отдельных каскадах приемника. К этим искажениям относятся частотные, фазовые и нелинейные. На качество принятого сигнала будут влиять также различного рода помехи: атмосферные, промышленные, помехи от соседних по частоте передатчиков, а в диапазонах УКВ - собственные шумы приемника.

Структурные схемы радиоприемников. В настоящее время находят применение приемники прямого усиления, регенеративные, суперрегенеративные, супергетеродинные с одинарным и двойным преобразованиями частоты. Рассмотрим более подробно структурные схемы приемника прямого усиления и супергетеродинного. Ha рисунке 1.7 представлена структурная схема приемника прямого усиления.

Входная цепь (ВЦ) выделяет полезный сигнал из всей совокупности колебаний, наводимых в антенне от различных радиопередатчиков и других источников электромагнитных колебаний, ослабляет мешающие сигналы. Усилитель радиочастоты (УРЧ) усиливает поступающие из входной цепи полезные сигналы и обеспечивает дальнейшее ослабление сигналов мешающих станций. Детектор (Д) преобразует модулированные колебания радиочастоты в колебания, соответствующие передаваемому сообщению: звуковому, телеграфному и др. Усилитель низкой частоты (УНЧ) усиливает продетектированный сигнал по напряжению и мощности до величины, достаточной для приведения в действие оконечного устройства (громкоговорителя, реле, приемной телевизионной трубки и др.). Оконечное устройство (ОУ) преобразует электрические сигналы в исходную информацию (звуковую, световую, буквенную и др.).

Приемник прямого усиления не может обеспечить хорошую избирательность и высокую чувствительность, особенно в ди апазонах коротких и ультракоротких волн. Это объясняется тем, что по мере повышения частоты возрастает полоса пропускания резонансной цепи. Так, полоса пропускания одиночного контура 2f и его добротность Q связаны соотношением , где f с – частота принимаемого сигнала.

На высоких частотах полоса пропускания контура возрастает и кроме полезного сигнала контур будет пропускать помеху.

Заметим, что сделать селективную цепь приемника прямого усиления с прямоугольной или даже близкой к ней характеристикой практически невозможно, так как этот контур должен быть перестраиваемым. Фильтры, обеспечивающие прямоугольные характеристики. - это многоконтурные системы, перестраивать которые одной ручкой настройки невозможно. В связи с этим приемник прямого усиления обладает плохой избирательностью.

От указанных недостатков свободен супергетеродинный приемник (рисунок 1.8). Его отличительной особенностью является использование в нем преобразователя частоты, состоящего из смесителя (С) и гетеродина (Г). На выходе преобразователя мы получаем промежуточную частоту, усиливаемую в дальнейшем усилителем промежуточной частоты (УПЧ).

Преобразователем частоты называется устройство, предназначенное для переноса спектра сигнала из одной области частот в другую без изменения амплитудных и фазовых соотношений между компонентами спектра. Поскольку при таком переносе форма спектра сигнала не меняется, то не будет меняться и закон модуляции сигнала. Изменяется только значение несущей частоты сигнала f с, которая становится равной некоторой преобразованной частоте f пр.

К преобразователю частоты кроме напряжения сигнала с частотой f с, подводится напряжение гетеродина (маломощного автогенератора) с частотой f г. При взаимодействии этих напряжений в преобразователе частоты возникаю составляющие различных комбинационных частот, из которых используется только одна. Обычно используется составляющая f пр = f г – f с.

На практике значение f пр обычно меньше частоты несущей сигнала f с, но больше частоты модулирующего сигнала F c .

Поскольку преобразованная частота f пр занимает промежуточное значение между f с и F с, то она называется промежуточной частотой.

Название супергетеродин составное (супер+гетеродин), в котором слово гетеродин указывает на характерный для супергетеродинных приемников каскад-гетеродин. Этот каскад является неотъемлемой частью преобразователя частоты. Приставка супер означает, что в супергетеродинных приемниках преобразованная частота f пр расположена в области частот выше (сверх) частоты модуляции F c .

Преобразование несущей частоты радиосигнала в промежуточную приводит к улучшению фильтрации соседних каналов радиосвязи. Например, пусть в антенне действует ЭДС сигналов с несущими частотами f 1 = 20 МГц (полезный сигнал) и f 2 = 20,2 МГц. Относительная разность частот между станциями . Контур в радиочастотном диапазонеимеет добротность 20-50, т.е. относительную полосу пропускания 5-2%. В рассматриваемом примере станция f 2 отличается от избранной всего на 1% и поэтому будет создавать заметную помеху. Если произвести преобразование несущей частоты f 1 , то при частоте сигнала гетеродина f г = 20,5 МГц получаются две промежуточные частоты f пр1 = 20,5 - 20 = 0,5 МГц и f пр2 = 20,5 – 20,2 = 0,3 МГц, относительная разность между которыми . Как видно, относительная разность увеличиласьот 1 до 40%. В этих условиях станция, работающая на частоте f 2 , не будет помехой для фильтров преобразователя частоты, настроенных на частоту f пр =0,5 МГц, даже если их добротность соизмерима с добротностью контуров УРЧ.

В супергетеродинных приемниках основное усиление и изби-рательность осуществляются после преобразования частоты в усилителе промежуточной частоты (УПЧ). Важным достоинством супергетеродинного приемника является то, что в процессе его перестройки на другую станцию промежуточная частота f пр не меняется. Достигается это за счет того, что при перестройке приемника на другую частоту сигнала f с одновременно изменяется частотагетеродина f г таким образом, чтобы разность f г – f с = f пр осталась неизменной.

Следовательно, при перестройке супергетеродинного приемника достаточно изменить резонансные частоты входной цепи, УРЧ и гетеродина. Перестраивать УПЧ при этом не требуется. Поскольку УПЧ не перестраивается, то его характеристики не меняются. При этом частотная характеристика контуров УПЧ может быть получена достаточно близкой к прямоугольной, так как в нем могут быть использованы фильтры любой степени сложности. Именно по этой причине супергетеродинные приемники обеспечивают высокую избирательность.

Недостатком супергетеродинных приемников является наличие в них побочных каналов приема, главным из которых является зеркальный.

Зеркальный канал имеет несущую частоту f зерк, отличающуюся от частоты полезного сигнала f с на удвоенную промежуточную частоту f зерк = f с + f пр (рисунок 1.9).

Частоты f с и f зерк расположены зеркально симметрично относительно частоты гетеродина f г. Разность между f зерк и f г равна промежуточной частоте, как и в случае полезного сигнала. Поэтому если на преобразователь частоты поступают сигналы станций f с и f зерк, то на его выходе обе станции дадут напряжение промежуточной частоты. Если сигнал частоты f с является полезным, то сигнал частоты f зерк, попавший на преобразователь, является помехой. Очевидно, что ослабление помехи по зеркальному каналу должно происходить до преобразователя частоты. Для улучшения избирательности по зеркальному каналу промежуточная частота должна быть высокой. Тогда несущие частоты f с и f зерк значительно различаются. При этом коэффициент передачи входной цепи (она тоже обладает резонансными свойствами) на частоте f зерк существенно меньше, чем на частоте f с, и сигнал зеркальной станции будет значительно подавлен входной цепью. При наличии в приемнике УРЧ зеркальная помеха дополнительно подавляется за счет избиpaтeльныx свойств УРЧ.

Однако при высокой промежуточной частоте уменьшается коэффициент устойчивого усиления УПЧ и расширяется его полоса пропускания, что приводит к снижению чувствительности приемника и его избирательности по соседнему каналу. Как видно, требование к величине промежуточной частоты довольно противоречиво.

Другим побочным канатом является канал, частота которого равна промежуточной. Сигнал такой частоты, поступающий на вход преобразователя, без каких-либо изменений попадает па УПЧ. Для его устранения радиовещательные станции не должны работать на промежуточной частоте, а случайные помехи с частотами, близкими к промежуточной, должны быть подавлены соответствующими фильтрами на входе приемника.

В бытовых радиовещательных приемниках несущая частота составляет 465 кГц, т.е. она расположена в окне между границами радиовещательных диапазонов ДВ и СВ - 285,5-525 кГц.

В приемниках, работающих на магистральных линиях радиосвязи, требуются более высокие чувствительность и избирательность как по соседнему, так и по зеркальному каналам. Это невозможно выполнить при выборе одной промежуточной частоты, поэтому в таких приемниках применяют двойное преобразование частоты. При двойном преобразовании частоты первую промежуточную частоту выбирают достаточной высокой (порядка 1 МГц), за счет чего обеспечивается высокая избирательность по зеркальному каналу. Вторая промежуточная частота выбирается достаточно низкой (порядка 100 кГц), что позволяет получить высокий коэффициент устойчивого усиления в каскадах УПЧ и таким образом повысить чувствительность приемника при высокой избирательности по соседнему каналу.

Вопросы для самоконтроля

1.1. Понятие принципа работы системы радиосвязи.

1.2. Назовите основные структурные схемы организации радиосвязи.

1.3. Перечислите основные функциональные узлы радиопередатчика.

1.4. Назовите основные технические показатели радиопередатчиков.

1.5. Приведите классификацию радиоприемных устройств.

1.6. Назовите основные показатели радиоприемных устройств.

1.7. Приведите структурную схему радиоприемника прямого усиления.

1.8. Объясните особенности работы супергетеродинного радиоприемника.

1.9. Из каких соображений выбирается значение промежуточной частоты в супергетеродинном радиоприемнике?

Список рекомендуемой литературы

1. Изюмов Н.М., Линзе Д.П. Основы радиотехники. – М.: Радио и связь, 1983. – 376 с.

2. Катунин Г.П., Мамчев Г.В., Попантонопуло В.Н., Шувалов В.П. Телекоммуникационные системы и сети. Том II. – Новосибирск: Цэрис, 2000. – 624 с.

3. Машкова Т.Т., Степанов С.Н. Основы радиотехники. – М.: Радио и связь, 1992. – 232 с.

4. Радиоприемные устройства / Под ред. Н.Н.Фомина. – М.: Радио и связь, 1996. – 512 с.