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

Подождите немного. Документ загружается.

Рисунок 3.13 – Генератор Мейснера

Колебательный контур включен в анодную цепь лампы, и через ка-

тушку контура протекает анодный ток. С контурной катушкой индуктивно

связана еще одна катушка связи

св

. На ее выводах возникает точно такое же

напряжение колебаний, как и в контуре, лишь несколько меньшее по ампли-

туде. Оно приложено к сетке лампы и управляет анодным током. Усиленные

колебания вновь поступают в контур и поддерживают в нем колебательный

процесс.

Для правильной работы автогенератора необходимо выполнение двух

условий: баланса фаз

и баланса амплитуд.

Условие баланса фаз состоит в том, чтобы колебания из анодной цепи

лампы поступали в такт с колебаниями контура. В противном случае про-

изойдет не возбуждение, а подавление колебаний.

Баланс фаз обеспечивается правильным включением выводов катуш-

ки обратной связи

св

. Начала обмоток обозначены на схеме генератора точ-

ками (предполагается, что обе катушки намотаны в одну сторону). Если, на-

пример, в какой-то момент времени на верхнем по схеме выводе контура ока-

зывается положительная полуволна напряжения, то сетка триода получает

отрицательный потенциал, анодный ток уменьшается, а вместе с ним умень-

шается

и падение напряжения на контуре. Следовательно, потенциал анода

возрастает, поддерживая положительную полуволну колебаний. Во время от-

рицательной полуволны колебаний в контуре анодный ток растет, а напря-

жение на аноде падает, также поддерживая эту полуволну.

Другое условие, которое должно выполняться в контуре - условие ба-

ланса амплитуд. Оно требует, чтобы амплитуда колебаний, поступающих

от

лампы в контур, была достаточной для покрытия собственных потерь в кон-

туре.

Если лампа будет "раскачивать" контур сильнее, амплитуда колебаний

в нем будет возрастать, а если слабее - то уменьшаться. При выполнении ус-

ловия баланса амплитуд произведение коэффициентов усиления лампы и ко-

эффициента передачи цепи обратной связи должно равняться единице.

Зна-

чительно лучше работают генераторы со специальными цепями стабилиза-

ции амплитуды.

Радиопередающим устройством называется комплекс оборудования,

преобразующий энергию источников питания в энергию радиочастотных ко-

лебаний и управляющий последними с целью передачи информации через

открытое пространство.

Назначение, диапазон рабочих частот и выходная мощность передат-

чика в значительной степени определяют его размеры, конструктивные осо-

бенности, тип электронных приборов и состав вспомогательного оборудова-

ния.

По своему назначению РПдУ разделяются на передатчики радиовеща-

тельные, телевизионные, навигационные, телеметрические, РЛС, радиотеле

управления, специальные и др.

Они охватывают практически весь диапазон электромагнитных волн.

При этом частота излучаемого сигнала может перестраиваться по диапазону

либо непрерывно, либо по дискретным точкам (сетка частот).

В зависимости от функционального назначения радиосистемы пере-

дающее устройство должно удовлетворять целому комплексу требований по

стабильности частоты, времени перестройки с одной частоты

на другую, и

времени готовности к работе, по электромагнитной совместимости и др.

Например, мощность побочных излучений не должна превышать

2,5

-5

- 1

-3

Вт. Выбор конкретного значения уровня зависит от назначе-

ния, диапазона, выходной мощности передатчика. Среди других требований

можно отметить требования по безопасности и удобству обслуживания, на-

дежности, габаритам и весу, стоимости и т.д.

Особое внимание уделяется стабильности частоты автогенераторов -

возбудителей радиопередающих устройств. Типовые требования по степени

допустимой нестабильности частоты составляют

δ = Δω/ω = 10

-5

÷10

-7

; в спе-

циальных случаях -

-10

÷10

-13

При этом требования к стабильности частоты передатчиков с ампли-

тудной модуляцией значительно более высокие, чем, например, к структурам

с импульсной модуляцией. Поскольку отклонение частоты задающего гене-

ратора невозможно устранить в последующих каскадах передатчика, очевид-

но, что он должен быть наиболее защищенным от внешних воздействий эле-

ментом передающего устройства.

Под внешними воздействиями

понимается целый комплекс причин:

нестабильности источников питания, механические (ударные, вибрационные)

и температурные воздействия, непостоянство нагрузки (антенны), влияние

полей от рядом расположенных мощных РЭС и др.

Высокие требования по стабильности частоты, подавление побочных

излучений (69-80 дБ), нелинейность канала излучения и т.п. привели к созда-

нию возбудителей сетки дискретных частот, совмещенных с

высокостабиль-

ными синтезаторами частот. Их высокая стабильность обеспечивается за счет

устойчивых колебаний кварцевого резонатора.

В некоторых системах вещания частота опорного генератора возбуди-

теля подстраивается (с точностью до фазы) по сигналам службы точного

единого времени. Особое внимание в последнее время уделяется реализации

цифровых синтезаторов частоты, использующих цифровые интегральные

схемы, и повышению их

рабочих частот.

3.2.2 Основные характеристики передатчиков

Технические показатели передатчика зависят от назначения, места ус-

тановки и условий работы. Рассмотрим более подробно показатели радиопе-

редатчиков устройств связи и вещания.

Основными характеристиками передатчиков являются:

1) мощность передатчика, отдаваемая в фидер антенны

прд

;

2) промышленный КПД, определяемый выражением

пот

где Р

пот

- мощность, потребляемая передатчиком от источника пита-

ния;

3) диапазон рабочих частот от

р min

(нижняя частота) до f

р max

(верхняя

частота);

4) стабильность частоты

Δf (максимально допустимое отклонение ра-

бочей частоты от заданной), либо относительная нестабильность

= Δf / f

где

- рабочая частота;

5) уровень, либо степень подавления внеполосных излучений (по-

следние являются источником дополнительных помех радиоприему);

6) весогабаритные характеристики;

7) виды работы;

8) количество фиксированных частот и их разнос (в передатчиках с

цифровыми синтезаторами частоты);

9) неравномерность амплитудно-частотной характеристики и др.

3.2.3 Классификация радиопередающих устройств

Радиопередатчики классифицируются по различным признакам.

По назначению

они подразделяются на специальные, к которым отно-

сятся передатчики глобальной связи и низовой радиосвязи; службы единого

времени; локационные; навигационные; радиопомех; радиовещательные, те-

левизионные и др.

По мощности

радиопередатчики подразделяются на маломощные

(

прд

<100 Вт), средней мощности (от 100 Вт до 10 кВт), большой мощности

(от 10 кВт до 1000 кВт) и сверхмощные (

прд

>100 кВт).

По диапазону классификация передатчиков совпадает с классифика-

цией радиоволн.

По условиям эксплуатации передатчики подразделяются на стацио-

нарные, мобильные, наземные и бортовые.

По роду работ они делятся на импульсные и непрерывного действия.

По виду модуляции

передатчики бывают с амплитудной модуляцией,

с частотной модуляцией, с фазовой модуляцией, с однополосной модуляци-

ей. В современных радиопередатчиках используются несколько видов моду-

ляции.

По типу используемых электронных приборов радиопередатчики де-

лятся на ламповые, полупроводниковые, магнетронные и др.

3.2.4 Структурная схема передатчика

Под радиопередающим устройством понимается устройство, находя-

щееся между источником сообщения и средой распространения (см. струк-

турную схему линии радиосвязи).

В функциональном смысле под радиопередающим устройством по-

нимается комплекс оборудования, предназначенный для формирования и из-

лучения радиосигнала. Такое определение радиопередающего устройства

предусматривает выполнение двух необходимых требований для осуществ-

ления радиопередачи: формирование радиосигнала и его излучение в откры-

тое пространство. Первое требование решается с помощью радиопередатчи-

ка, а второе с помощью передающей антенны.

Вспомним, для чего формируется радиосигнал. Как уже рассматрива-

лось, при передаче любых сообщений посредством системы электросвязи

вначале сообщение преобразуется в электрический сигнал. Как правило, та-

кой сигнал

является низкочастотным, т.е. в его спектре основную долю со-

ставляет низкочастотные колебания. А они не могут эффективно излучаться

передающей антенной.

Эффективность излучения растет с увеличением частоты, поэтому

прибегают к переносу исходного первичного сигнала в область более высо-

ких частот, т.е. к формированию радиосигнала. Это осуществляется с помо-

щью

модуляции.

Таким образом, можно сделать вывод, что в состав РПдУ в качестве

функциональных узлов должны входить генератор несущей и модулятор. В

свою очередь, генератор, как правило, строится по многокаскадной схеме

(рисунок 3.14).

АГ

БК ПК

ПК

ОК

ИП

Сеть

Первичный

сигнал

Рисунок 3.14 – Развернутая структурная схема радиопередающего устройства

Генератор несущей содержит автогенератор АГ - первоисточник не-

сущего колебания; буферный (разделительный) каскад БК, включаемый для

ослабления влияния последующих каскадов на качественную работу АГ (в

основном на стабильность его частоты); ряд промежуточных каскадов ПК,

основная задача которого состоит в усилении радиочастотного сигнала; око-

нечный (выходной) каскад ОК. обеспечивающий заданную мощность в ан

тенне. Часто АГ, БК и ПК конструктивно объединятся в отдельном устройст-

ве - возбудителе.

Модулятор М также, как правило, строится по многокаскадной схеме.

В зависимости от назначения радиопередающего устройства может осущест-

вляться либо в одном из каскадов возбудителя, либо в оконечном каскадах.

Обязательным для работы любых каскадов и элементов радиопере-

дающего устройства

является источник питания ИП, получающий энергию

от сети переменного либо постоянного тока или от аккумулятора.

В состав реальных радиопередающих устройств входит много другого

оборудования. Структурная схема передатчика показана на рисунке 3.15.

Рисунок 3.15 - Структурная схема передатчика

От оконечной аппаратуры (телеграфный аппарат, ключ, телефонный

аппарат, каналообразующая аппаратура и др.) на вход передатчика поступа-

ют первичные электрические сигналы. В блоке 1 формирования видов рабо-

ты осуществляется модуляция некоторой поднесущей частоты первичным

электрическим сигналом. Поднесущая частота, как правило, в несколько раз

меньше рабочей частоты.

Промодулированный сигнал поступает на промежуточный преобразо-

ватель

2, осуществляющий перенос сигнала в диапазон промежуточных час-

тот, которые также ниже рабочей частоты, но больше поднесущей частоты.

В оконечном преобразователе 3 происходит преобразование сигнала

промежуточной частоты в колебания рабочего диапазона передатчика.

Усилительный тракт 4, включающий в себя один-два относительно

маломощных усилительных каскада, называемых промежуточными и выход-

ной усилитель мощности, осуществляет усиление

радиосигнала до требуемо-

го значения мощности.

Мощный радиосигнал через согласующее симметрирующее устройст-

во 5 подается к антенно-фидерному тракту. Согласующее симметрирующее

устройство обеспечивает эффективную передачу энергии в антенну, фильт-

рацию побочных гармонических колебаний, не входящих в полосу частот,

занимаемую радиосигналом.

Современные передающие устройства в своем составе имеют синтеза-

торы частот 6, которые формируют

ряд высокостабильных вспомогательных

частот для различных ступеней преобразования.

Устройство 7 управления, блокировки и сигнализации устанавливает-

ся в передатчиках мощностью 1 кВт и выше. На него возлагается следующие

функции:

− осуществление с заданной последовательностью включение с необ-

ходимыми временными задержками отдельных подсистем передатчика (вен-

тиляции, питания накала ламп, анодного питания и т.д.);

− осуществление по команде с пульта управления автоматическую

настройку передатчика на заранее выбранные рабочие частоты;

− обеспечение заданного режима управления колебаниями;

− коммутацию антенн передатчика;

− регистрацию режимов и параметров оборудования, сигнализацию о

возникающих нарушениях установленного режима.

Цифрой 8 обозначен источник питания.

Вопросы контроля:

1. Какие сигналы называются периодическими? Приведите пример

периодического сигнала; запишите выражение функции времени, которую

можно использовать в качестве математической модели этого сигнала. Нари-

суйте график этой функции.

Запишите общий вид ряда Фурье для электрического сигнала u(t),

заданного на интервале времени от

до t

+ T.

Дайте определение спектра амплитуд и фаз периодического сиг-

нала. Почему эти спектры называются дискретными (линейчатыми)? Приве-

дите пример графика спектра амплитуд и поясните размерность величин, от-

кладываемых по осям абсцисс и ординат.

Дайте определение ширины спектра периодического сигнала.

Проиллюстрируйте это определение рисунком на примере спектра периоди-

ческой последовательности прямоугольных импульсов.

Какой параметр несущего колебания изменяется при АМ?

Нарисуйте временную диаграмму АМ сигнала, если несущее ко-

лебание и модулирующий сигнал являются гармоническим, а коэффициент

модуляции равен 1.

Нарисуйте временную диаграмму сигнала АТ при манипуляции

периодической последовательностью прямоугольных импульсов со скважно-

стью 2.

Каковы недостатки АМ сигналов?

Изобразите спектр ОМ сигнала по верхней (нижней) боковой по-

лосе при модуляции несущего колебания с частотой 1 МГц речевым сигна-

лом, занимающим полосу частот от 0,3 до 3,4 кГц.

10.

Что понимается под процессом частотной модуляции?

11.

Дайте определение девиации частоты, сдвига, разноса частот.

индекса частотной модуляции.

12.

Изобразите временную диаграмму ЧМ сигнала при модуляции

несущего колебания гармоническим сигналом.

13. Изобразите временные диаграммы сигналов F1, F6 при передаче

периодической последовательности прямоугольных импульсов.

14.

В УКВ радиостанции формируется ЧМ сигнал. Передается рече-

вой сигнал с полосой частот 0,3...3,4 кГц. Девиация частоты 5 кГц. Какую

полосу частот занимает ЧМ радиосигнал?

15.

Изобразите временные диаграммы сигнала ФТ при модуляции

несущего колебания периодической импульсной последовательностью (по-

следовательностью импульсов вида 101100101).

16.

Изобразите временные диаграммы сигнала ОФТ при тех же ис-

ходных данных.

17.

Каково назначение радиопередающего устройства?

18.

Перечислите основные характеристики радиопередающего уст-

ройства и дайте их физическую трактовку.

19.

Изобразите структурную схему радиопередающего устройства и

поясните назначение элементов.

Какими элементами обеспечивается достижение основных характери-

стик радиопередающего устройства?

II Системы радиосвязи

4 Системы радиорелейной и тропосферной связи

4.1 Общая характеристика систем радиорелейной связи

4.1.1 Основные определения в области радиорелейной связи

Вначале приведем основные определения Регламента радиосвязи

(ГОСТ 24375-80 «Радиосвязь») в области радиорелейной связи.

Радиорелейная связь - наземная связь, основанная на ретрансляции

радиосигналов на дециметровых и более коротких радиоволнах.

Радиорелейная линия (РРЛ) связи – совокупность технических средств

и среды распространения радиосигнала для обеспечения радиорелейной свя-

зи.

Радиорелейная линия прямой видимости – радиорелейная линия связи,

соседние станции которой размещаются на расстоянии, обеспечивающем ра-

диосвязь прямой видимости.

Радиорелейная станция (РРСт) - радиостанция, используемая для ра-

диорелейной связи.

Оконечная радиорелейная станция (ОРРСт) – радиорелейная станция,

устанавливаемая на конечных пунктах РРЛ связи и предназначенная для вве-

дения и выделения передаваемых по линии сообщений.

Промежуточная радиорелейная станция (ПРРСт) – радиорелейная

станция, предназначенная для ретрансляции радиосигнала, передаваемого по

РРЛ связи.

Узловая радиорелейная станция (УРРСт) – радиорелейная станция,

предназначенная для ретрансляции радиосигналов, передаваемых по РРЛ

связи, разветвления РРЛ связи и выделения части передаваемого сообщения

и введения нового.

Радиорелейный пролет – часть радиорелейной линии связи между со-

седними радиорелейными станциями, включающая аппаратуру и среду рас-

пространения радиоволн (также применяется понятие «интервал»).

Радиорелейный участок – часть радиорелейной линии связи, ограни-

ченная двумя ближайшими радиорелейными станциями, которые являются

оконечными или узловыми.

Для военной радиорелейной связи используется и часть диапазона

метровых волн.

4.1.2 Достоинства радиорелейной связи

Характерные признаки радиорелейной связи: во-первых, это наземная

радиосвязь, т.е. электросвязь, осуществляемая посредством радиоволн, в ко-

торой используются радиостанции, находящиеся на

и вблизи поверхности

Земли; во-вторых, ретрансляция сигналов с их восстановлением на каждой

промежуточной станции, т.е. активная ретрансляция радиосигнала, вклю-

чающая его прием, преобразование, усиление и излучение в заданном на-

правлении; в-третьих, работа в ультракоротковолновом диапазоне.

Радиорелейная связь вобрала в себя ряд положительных качеств про-

водной электросвязи и радиосвязи на ультракоротких волнах

(УКВ), таких

как:

высокое качество передачи непрерывных сообщений и дискретной

информации с жестким нормированием характеристик каналов связи в соот-

ветствии с существующими стандартами, нормами и рекомендациями;

большая пропускная способность линий связи, определяющая их

многоканальность;

возможность передачи сообщений практически всех видов от самых

различных оконечных устройств;

наличие в линиях и сетях дуплексных каналов связи для передачи и

приема оперативной информации, а также специализированных и обычных

служебных каналов, каналов телеуправления и телесигнализации, контроля

качества функционирования;

высокая надежность линий и каналов связи, обеспечиваемая их ка-

чеством и структурой, а также резервированием элементов РРСт;

резкое уменьшение уровней промышленных и атмосферных помех;

повышение направленности и улучшение поляризационных свойств

излучений и приема антенн;

распространение радиоволн преимущественно в пределах радиови-

димости, позволяющее многократно и более эффективно использовать рабо-

чие частоты.

Использование диапазона УКВ для радиорелейной связи определяется

прежде всего сравнительной широкополосностью многоканальных радио-

сигналов, позволяющих реализовать высокие требования по пропускной спо-

собности и качеству каналов. Второй причиной применения УКВ диапазона

является необходимость обеспечения работы соседних

РРСт, входящих в

РРЛ при прямой радиовидимости между их антеннами. В этом случае обес-

печивается лучшее качество радиолиний, поскольку при высокоподнятых ан-

теннах и отсутствии препятствий такое распространение радиоволн может

быть однолучевым, приближающееся к распространению в свободном про-

странстве.

4.1.3 Принципы построения радиорелейной линии связи

Максимальное расстояние

D в км прямой (геометрической) видимо-

сти, исходя из сферичности Земли определяется как

D ≈ 3,57

(

)

hh +

где

и h

- высоты передающей и приемной антенн, м.

Однако в реальных условиях при распространении радиоволн в диапа-

зоне УКВ возникает рефракция радиоволн, заключающаяся в искривлении их

траекторий и изменении скорости распространения из-за атмосферы, в ре-

зультате чего изменяется и максимальное расстояние прямой радиовидимо-

сти, определяемое как

D ≈ 4,12

(

)

hh +

для нормальной рефракции и

D ≈ 4,47

(

)

hh +

для повышенной рефракции.

Кроме рефракции на распространение радиоволн в диапазоне УКВ

может влиять и рельеф местности, что проявляется в экранирующем дейст-

вии препятствий на их пути, их отражении от поверхности Земли и местных

предметов и является следствием недостаточного подъема антенн, приводя-

щего к уменьшению их направленного действия.

В итоге распространение

радиоволн может стать дифракционным и

многолучевым, что приводит к появлению замираний радиосигналов. Прак-

тически во всех случаях влияние рельефа приводит к уменьшению дальности

связи по сравнению с потенциально возможной.

Учитывая рефракцию и влияние рельефа, получаем, что прямая ра-

диовидимость при реализуемых высотах подъема антенных систем 20

…30 м

составляет порядка 30…50 км. Это, в свою очередь, объективно вызывает не-

обходимость применения соответствующего количества ретрансляций в РРЛ

прямой видимости.

Поэтому радиорелейную линию связи на большие расстояния строят в

виде цепочки приемо-передающих радиорелейных станций, в которой сосед-

ние РРСт размещают на расстоянии, обеспечивающем радиосвязь прямой

видимости, и называют ее

радиорелейной линией прямой видимости. Прин-

цип построения РРЛ поясняется рисунком 4.1.

Рисунок 4.1 - Принцип построения РРЛ