Тоискин В.С., Петренко В.И., Бибарсов М.Р., Мишин Д.Ю. Системы радиосвязи

Подождите немного. Документ загружается.

б) Фазовые демодуляторы

Фазовый детектор предназначен для сравнения фаз двух колебаний.

Поэтому его можно определять как устройство, напряжение которого зависит

от разности фаз двух сравниваемых напряжений (рисунок 2.13). Одно из этих

напряжений является опорным, его часто принято называть напряжением ге-

теродина. В качестве второго напряжения может выступать, например, сиг-

нал при фазовой

телеграфии. Фазочувствительным устройством является

синхронный детектор.

Рисунок 2.13 – Фазовый детектор

Фазовые детекторы широко применяются в системах автоматической

подстройки частоты (АПЧ), измерительной технике и других устройствах,

где на его входы подаются немодулированные колебания, и при постоянной

разности фаз между ними на выходе будет постоянное напряжение.

2.2 Помехи радиоприему

Все системы, линии связи функционируют в условиях помех, поэтому

учет этого фактора необходим при

построении и эксплуатации систем связи.

Теоретической основой для изучения характеристик помех является физика,

теория случайных процессов.

В данном параграфе рассмотрим лишь краткие сведения о помехах,

действующих в реальных линиях радиосвязи.

Большей частью помехи создаются непреднамеренно в процессе раз-

вития различных физических явлений, никак не связанных с процессом пере-

дачи информации с

помощью сигналов электросвязи.

В процессе передачи сообщений средствами связи помехи могут воз-

никать и воздействовать на сигнал практически в любой части системы свя-

зи, начиная с ее входа, т.е. преобразователя сообщения в электрический сиг-

нал, и, кончая выходом - обратным преобразованием принятого электриче-

ского сигнала в сообщение, которое представляется получателю.

Однако, при

проектировании передатчика системы всегда можно принять дополнитель-

ные меры, предупреждающие или устраняющие сторонние возмущения.

Аналогичные меры можно принять и в устройствах системы приема, в кото-

рых принятый электрический сигнал преобразуется в сообщение. Немного

меньше возможностей (иногда их и вовсе нет) устранить сторонние возму-

щения в линии связи, в приемной антенне или в приемнике, осуществляю-

щем усиление и демодуляцию сигнала. Поэтому основное внимание уделим

источникам помех в линиях передачи электромагнитной энергии и в прием-

никах систем передачи информации.

В обобщенном виде классификация помех приведена на

рисунке 2.14.

Рисунок 2.14 – Классификация помех

Все помехи можно разделить на два класса: аддитивные и мультипли-

кативные. Рассмотрим физическую сущность этих помех.

Аддитивная помеха. При одновременном воздействии полезные и

сторонние возмущения часто накладываются друг на друга. В этом случае

суммарное возмущение имеет вид:

x(t) = s(t) + n(t) ,

где s(t) - функция времени,

представляющая сигнал;

n(t) - помеха;

x(t) - принятое колебание.

Колебание x(t) называют также смесью сигнала и помехи или наблю-

даемым колебанием.

Например, если в качестве сигнала рассмотреть распространяющееся

электромагнитное поле, то следует учитывать только те сторонние возмуще-

ния, которые обуславливают возникновение распространяющегося сторонне-

го электромагнитного поля. Большинство линий передачи электромагнитной

энергии, используемых в электросвязи, являются линейными в том смысле,

что при одновременном наличии в них двух электромагнитных полей можно

говорить об одном поле, равном сумме двух полей. (Вспомните из аналити-

ческой геометрии понятие и свойства линейного пространства). Так преды-

дущее выражение можно использовать для представления напряжений на

выходе приемной антенны,

если на антенну одновременно воздействует два

электромагнитных поля - поле сигнала и поле, создаваемое источником по-

мехи.

В соответствии с приведенным выражением значение принятого ко-

лебания в любой заданный момент времени равно сумме мгновенных значе-

ний сигнала и помехи. Такую смесь сигнала и помехи, а также саму помеху

называют аддитивными.

Воздействие аддитивных помех приводит к тому, что принятое коле-

бание отличается от переданного сигнала, следовательно сообщение будет

принято с некоторой ошибкой.

Мультипликативная смесь сигнала и помехи. В случае мультиплика-

тивной помехи уровень сигнала случайно меняется во

времени, причем эти

изменения никак не связаны с передаваемым сообщением. Обычно эти изме-

нения происходят намного медленнее по сравнению с изменением мгновен-

ных значений сигнала. Воздействие такой помехи на сигнал нежелательно

потому, что он может оказаться сравнимым с уровнем собственных шумов

приемника или с уровнем внешних аддитивных помех. Вследствие этого

вос-

становление переданного сообщения по результатам наблюдения слабого

сигнала и сравнимой с ним по мощности помехи может оказаться невозмож-

ным.

Поясним возникновение такого рода помехи примером. В декаметро-

вом диапазоне волн в точку приема может приходить несколько лучей, воз-

никших в результате отражения электромагнитной волны от различных уча-

стков ионосферы. Причем

из-за изменения состояния ионосферы длина пу-

тей, проходимых различными лучами будет изменяться случайным образом.

В точке приема по этой причине будет наблюдаться интерференция лучей,

т.к. фазы волн, пришедших по различным путям, будут изменяться случай-

ным образом. В результате сложения нескольких сигналов одной частоты, но

с различными (изменяющимися) фазами,

суммарный сигнал будет изменять-

ся по амплитуде случайным образом.

При наличии такой помехи принимаемое колебание

x(t) = μ(t)

s(t) ,

где μ(t) есть случайный процесс, не принимающий отрицательные значения.

Таким образом, смесь сигнала с помехой представляет собой колеба-

ние, мгновенное значение которого в любой момент времени t равно произ-

ведению мгновенных значений сигнала s(t) и помехи μ(t) в этот же момент

времени. Процесс μ(t)

вследствие этого принято называть мультипликатив-

ной помехой.

В линиях связи сторонние возмущения могут иметь вид электромаг-

нитных волн, излучаемых внешними по отношению к рассматриваемой сис-

теме связи источниками. Это внешние помехи. Внешние помехи могут быть

искусственного происхождения, т.е. помехи, создаваемые различными тех-

ническими системами, и естественного происхождения, т.е. помехи

, возник-

новение которых не зависит от человека и плодов его труда. Искусственные

помехи могут создаваться с целью радиоэлектронного подавления системы

связи, такие помехи называются преднамеренными. По своей структуре

преднамеренные помехи могут быть шумовыми , спектр таких помех превос-

ходит спектр сигнала и помеха воспринимается как шум с относительно рав-

номерной спектральной

плотностью. Заградительные помехи имеют спектр,

частично перекрывающий диапазон работы системы связи. Сосредоточенные

помехи имеют спектр меньший спектра сигнала, к сосредоточенным помехам

относятся также и гармонические колебания, частота которых попадает в

спектр сигнала.

К непреднамеренным помехам относятся атмосферные, космические,

промышленные и взаимные.

Атмосферные помехи обусловлены грозовыми разрядами, происхо-

дящими над различными территориями Земли. Они представляют собой

электромагнитные

импульсы с достаточно широким спектром. Интервалы

времени между импульсами случайны, амплитуда импульсов также случай-

на. В результате наложения друг на друга эти импульсы образуют шумовую

помеху с достаточно равномерной спектральной плотностью в широком диа-

пазоне частот.

Космические помехи обусловлены электромагнитными излучениями

Солнца, Галактики, других галактик.

Источниками промышленных помех являются промышленные

уста-

новки, электрические линии, в процессе нормальной работы которых имеет

место или возможно излучение электромагнитных волн при искрообразова-

нии (электрифицированный транспорт, коллекторные электрические двига-

тели, бытовые электроприборы, системы зажигания автомобильных двигате-

лей, медицинские электроустановки, сварочные аппараты и т.п.). Промыш-

ленные помехи по существу являются результатом побочных электромагнит-

ных излучений в

окружающее пространство. Такие излучения часто возни-

кают при ударном возбуждении затухающих электрических колебаний в раз-

личных технических устройствах.

Взаимные помехи возникают в результате работы многих радиоэлек-

тронных средств в одном диапазоне, из-за чего возможны перекрытия спек-

тров излучаемых высокочастотных сигналов.

Внутренние помехи возникают в различных элементах и устройствах

систем

связи. Они не устранимы и обусловлены физическими процессами,

происходящими в элементах аппаратуры связи на молекулярном уровне. В

первую очередь к внутренним помехам следует отнести флуктуации элек-

трического тока и напряжения, являющиеся средством дискретности носите-

лей электрических зарядов и статистической природы большинства исполь-

зуемых в связи физических явлений. Например, непредсказуемые отклонения

значения

тока в электрической цепи от его среднего значения даже на макро-

скопическом уровне могут обусловливаться флуктуациями числа дискретных

носителей электрических зарядов, проходящих в этой цепи в единичный

промежуток времени.

Так, при токе 1 мА через проводник в одну секунду проходит в сред-

нем 6,3

электронов (заряд одного электрона равен 1,592

-19

Кулона).

Истинное число электронов за этот промежуток времени может быть и

больше и меньше указанного среднего значения, т.е. значение тока будет

флуктуировать. Ток представляет собой перемещение отдельных дискретных

зарядов так, что его мгновенные значения во времени существенно изменя-

ются.

Основная причина описанных выше флуктуаций электрического тока

- случайная эмиссия электронов в вакуумных электронных лампах, случай-

ное возникновение, рекомбинация и диффузия дискретных носителей заря-

дов (дырок и электронов) в полупроводниках. Указанные флуктуации тока

принято называть дробовым шумом. Еще одним существенным

источником

внутренних помех в устройствах связи являются тепловые флуктуации . Так

во многих случаях считают, что любой резистор имеет постоянное сопротив-

ление и является пассивным элементом. Однако, если электрический ток,

протекающий через резистор, и возникающее при этом напряжение на выво-

дах резистора являются сигналами, т.е. материальными носителями сообще-

ний, то при

малых уровнях этих сигналов может оказаться необходимым

учитывать меняющуюся непредсказуемым образом ЭДС, всегда имеющуюся

на выводах резистора и обусловленную тепловым движением свободных

электронов в веществе резистора. Если уровень этой флуктуационной ЭДС

оказывается сравнимым с уровнем сигнала, то эти дополнительные флуктуа-

ции, накладываясь на сигнал, могут привести к таким его искажениям,

при

которых восстановление сообщений окажется невозможным. Указанные

флуктуации принято называть тепловым шумом.

Рассмотренные флуктуации принципиально неустранимы. Их объеди-

няет единая первопричина возникновения - непредсказуемые колебания тех

или иных величин около их средних значений. Обусловленные подобными

флуктуациями помехи называют флуктуационными.

Вопросы контроля:

1. Назначение и функции радиоприемного устройства.

Классификация радиоприемных устройств.

В чем заключается процесс преобразования частоты.

Схема преобразователя частоты на диоде

Дать определение процессу детектирования сигналов.

Схема и физические основы простейшего амплитудного детекто-

ра.

Схема и принцип работы частотного детектора.

Назначение элементов радиоприемного устройства прямого уси-

ления.

Изобразите схему супергетеродинного приемника.

10.

Поясните процесс образования зеркального канала приема и спо-

соб борьбы с ним.

11.

Как определяется общий коэффициент усиления приемника?

12.

Назовите физические источники помех.

13.

Что такое аддитивная и мультипликативная помеха?

14.

Изобразите детекторный приемник и поясните процесс детекти-

рования АМ сигнала.

3 Радиопередающие устройства

3.1 Формирование радиосигналов

3.1.1 Выбор переносчика сообщений

Полученные на выходе устройств преобразования сообщений в сигна-

лы для разного рода передаваемой информации первичные сигналы должны

быть переданы системой электросвязи. Для этого нужен специальный пере-

носчик.

Правомерно задать вопрос, нельзя ли непосредственно первичный

сигнал подать на передающую антенну и передать его посредством электро-

магнитного

поля? В принципе можно получить электромагнитное излучение

при любой частоте (т.е. при любой длине волны), т.е. можно непосредствен-

но, например, непрерывный речевой сигнал передавать на расстояние. Одна-

ко для эффективного излучения отношение линейного размера (высоты) ан-

тенны к длине волны должно быть порядка единицы. Для низких частот это

приводит к технически неприемлемым размерам антенн. Действительно,

верхняя частотная граница первичного речевого сигнала не превышает

20кГц, что соответствует длинам волн λ = С/

= 30000000 м/с / 20000 Гц =

15000 м = 15 км (здесь С - скорость света, ƒ - частота, λ - длина волны), т.е.

антенна должна иметь высоту 15 км.

Поэтому в радиосвязи применяются высокие частоты, позволяющие

получить эффективное излучение при помощи антенн приемлемых размеров.

Применение высоких частот для передачи сообщений предполагает

процессы называемые модуляцией и демодуляцией.

Процесс модуляции

осуществляется в радиопередатчике, демодуля-

ции - в приемнике.

Таким образом, в пункте передачи первичный сигнал необходимо

преобразовать в сигнал, удобный для его передачи по соответствующей сре-

де распространения, но наделенный в то же время признаками первичного

сигнала.

Как уже отмечалось, в качестве переносчика сообщения в радиосвязи

используется гармонический сигнал (синусоидальный), который

может быть

записан следующим образом в математической форме:

U(t) = U sin(ωt + ϕ),

(3.1)

где: U - амплитуда сигнала;

ω - угловая частота (ω = 2πƒ);

ƒ - линейная частота;

ϕ - начальная фаза.

Графическое изображение гармонического колебания представлено на

рисунке 3.1. Здесь Т - период колебания:

fТ

Может ли такой сигнал нести какую-либо информацию? (Считаем,

что получателю сигнала известна амплитуда U, частота ω и начальная фаза

ϕ).

Очевидно, нет. Для того чтобы сигнал переносил информацию, в нем дол-

жен быть элемент случайности, неопределенности для получателя. Если за-

ставить изменяться один из параметров несущего гармонического колебания

по закону изменения первичного сигнала, то в этом случае гармоническое

колебание будет модулированным и уже нести некоторую информацию для

получателя.

Рисунок 3.1 - Гармоническое колебание

Изменение параметра (параметров) гармонического колебания по за-

кону изменения первичного (модулирующего) сигнала (сообщения) называ-

ется модуляцией.

Какие параметры гармонического колебания можно изменять? Из вы-

ражения (3.1) следует, что модуляции может подвергаться амплитуда U, час-

тота ω, фаза ϕ (или их совокупность). Отсюда различают сигналы с амплиту-

дой, частотной и фазовой модуляцией. Изменение

этих параметров может

происходить под воздействием непрерывных и дискретных первичных сиг-

налов, поэтому говорят о непрерывной модуляции и дискретной модуляции

(манипуляции).

3.1.2 Спектр сигнала

Для дальнейших рассуждений нам понадобится понятие "спектр сиг-

нала". Это одно из основополагающих понятий теории и практики связи. Де-

тально спектральное представление сигналов рассматриваются в курсе

ра-

диотехнических сигналов и цепей.

Прямоугольную периодическую последовательность можно предста-

вить в виде бесконечного числа гармонических колебаний с частотами, крат-

ными (2k-1)ƒ

, амплитуды которых убывают с увеличением k по закону

12 −

Результат суммирования трех колебаний с частотами ƒ

, 3ƒ

, 5ƒ

представлен на рисунке 3.2.

Великий французский математик Ж. Фурье доказал, что любой элек-

трический сигнал U(t) на произвольно заданном интервале времени длитель-

ностью Т от t = t

до t = t

+Т можно записать в виде суммы простых гармони-

ческих (синусоидальных) колебаний

kmkk

tкUtU

sin()( ) со значениями к =

0,1,2,... Здесь ω

= 2π/Т - основная угловая частота ряда; U

- амплитуды

гармонических колебаний; ψ

- фазы гармонических колебаний.

Т.е. сигнал U(t) может быть записан в виде:

)2sin()sin()(

21110

tUtUUtU

)sin()sin(...

01 kmk

kmk

tkUUtkU ψ+ω∑+=ψ+ω++

∞

(3.2)

Рисунок 3.2 – Суммирование трех колебаний

Слагаемое U

в (3.2) называется постоянной составляющей сигнала

U(t) на интервале времени от t

до t

+ Т. Слагаемые, входящие под знак сум-

мы, называются гармониками. Гармоническое колебание основной частоты

, называют первой гармоникой, колебание с частотой 2ω

, - второй и т.д.

Ряд (3.2) можно записать в несколько иной форме, при которой пара-

метры ряда определяются более просто. Для этого достаточно воспользо-

ваться равенством.

sin(x±у) = sinx cosу ± cosx sinу.

(3.3)

Применяя (3.3) и sin(kω

t + ϕ

) при х = ψ

и у = kω

t и подставляя ре-

зультат в (3.2) получаем

+ωψ∑+=

∞

tkUUtU

kmk

cossin()(

...

)sincos

tkU

kmk

(3.4)

Поскольку U

и ψ

- неизменные параметры ряда, то обозначив

= U

sinψ

, b

= U

cosψ

(3.5)

выражение (3.4) можно переписать в виде

U(t) = U

∞

∑

1к

coskω

t + b

sinkω

t), t

≤

t + T.

(3.6)

Равенство (3.6) называется тригонометрическим рядом Фурье.

Из (3.5) можно получить выражения для исходных параметров U

, ψ

ряда Фурье (3.2) через введенные параметры а

, b

ba +

;

arctg=ψ

, k = 1, 2,...,

(3.7)

Для разложения конкретной функции U(t) в ряд вида (3.6) необходимо

для нее определить значения параметров U

, а

, b

. Из курса высшей матема-

тики известно, что значения этих параметров равны:

∫∫∫

+++

ω=ω==

tdtktU

btdtktU

adttUU

. sin)(

, cos)(

, )(

110

(3.8)

Заметим, что ряд (2.6) обеспечивает точное представление функции

U(t) только при бесконечном числе слагаемых.

Решение разнообразных радиотехнических задач значительно упро-

щается, если рассматривать воздействие на некоторое радиотехническое уст-

ройство не в виде реального сигнала, а в виде суммы простых гармонических

колебаний.

В радиотехнике все сигналы разделяют на два класса: периодические

и непериодические. Сигнал (функция) U(t) называется периодическим с пе-

риодом Т

, если его значения в момент t

совпадает со значениями в моменты

t +kT

, где k - любое целое число. Т.е. для периодического сигнала справед-

ливо соотношение U(t) = U(t

) = U(t

+ kT

) при k = ±

1, ±2, ..., откуда следует,

что периодические сигналы определены по всей оси времени, т.е. на беско-

нечном интервале -

∞<t<+∞. Для полного описания периодического сигнала

достаточно задать его значение лишь на любом конечном интервале времени,

длительность которого совпадает с периодом Т

. Примеры графиков перио-

дических сигналов приведены на рисунке 3.3а,г,ж. Для гармонического сиг-

нала U

(t) период равен Т

. Гармонический сигнал U

(t) имеет период Т

в 2

раза меньший Т

. Периодический сигнал U

(t) представляет собой последова-

тельность прямоугольных импульсов с периодом Т

, длительностью

и ам-

плитудой импульсов U

. Период Т

называется периодом следования , а ƒ

1/Т

- частотой следования импульсов.

При записи периодического сигнала с периодом Т

в виде ряда Фурье

на интервале Т = Т

ряд дает точное представление сигнала на всем интервале

времени от -

∞

∞ , т.е. выражение вида (3.6) будет справедливо не на ин-

тервале t

+Т, а на интервале - ∞< t< ∞.

Если воспользоваться выражениями (3.6), то (3.7) может быть записа-

но в виде (3.2), т.е.

∑

∞

ψ+ω+=

),sin()(

kmk

tkUUtU

- ∞ < t < + ∞.

(3.9)

Формула (3.9) является основой введения понятий спектра амплитуд и

спектра фаз. Из нее следует ранее отмеченное утверждение, что любой пе-

риодический сигнал на всей оси времени может быть представлен суммой

гармонических колебаний с амплитудами U

, начальными фазами ψ

и час-

тотами

= kω

Совокупность амплитуд U

называют спектром амплитуд (амплитуд-

ным спектром), а совокупность фаз ψ

спектром фаз (фазовым спектром) пе-

риодического сигнала U(t).

Амплитудные и фазовые спектры можно представить графически, от-

кладывая по оси абсцисс значения частоты, а по оси ординат значения ам-

плитуд U

гармоник или их фаз ψ

Рассмотрим спектры сигналов, представленных на рисунке 3.3а,г,ж.

Для этого каждый из сигналов представим в виде ряда Фурье (3.9) на интер-

вале времени, совпадающем с их периодом. Сигнал

()

имеет период

T и

является гармоническим колебанием с частотой

/2 T

.Поэтому на любом

интервале времени от

до

()

(

)

, sin

ψ+ω= tUtU

100

Tttt

≤

tω−=ψ .

Рисунок 3.3 – Периодические сигналы и их спектры

Сравнивая это выражение с (3.9), приходим к заключению, что для

данного сигнала справедливо

U 0,

ψ=ψ ; амплитуды всех ос-