Некоммерческое акционерное общество 

 АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ  ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ 

Кафедра радиотехники

 

 

ОСНОВЫ РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ 2

Конспект лекций 

Часть 1

для студентов специальности

5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации

 

 

Алматы 2010

СОСТАВИТЕЛИ: Агатаева Б.Б, Калиева С.А, Прилепкина Л.П.   Основы радиотехники, электроники и телекоммуникаций 2. Часть 1 Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации. – Алматы: АУЭС, 2010 - 62 с.

 

Конспект лекций соответствует программе курса и предназначен для студентов всех форм обучения по специальности 5В071900 - Радиотехника, электроника и телекоммуникации для изучения дисциплины «Основы радиотехники, электроники и телекоммуникаций 2». Конспект состоит из двух частей. В первой части конспекта рассмотрены свойства и особенности распространения радиоволн различных диапазонов, приводятся основные принципы построения различных современных систем и устройств радиосвязи. Описаны конструкции и принцип действия некоторых антенн, параметры информационных сигналов и радиосигналов.

 

Содержание

1 Лекция.	Введение. Обобщенная схема канала радиосвязи	4
2 Лекция.	Особенности распространение радиоволн	6
3 Лекция.	Антенно-фидерные устройства	11
4 Лекция.	Особенности антенн различных диапазонов	14
5 Лекция.	Сигналы, используемые в радиосвязи	18
6 Лекция.	Формирование радиосигналов	21
7 Лекция.	Частотная и фазовая модуляция	23
8 Лекция.	Радиопередающие устройства	25
9 Лекция.	Радиоприемные устройства	29
10 Лекция.	Современные системы связи. РРЛС	33
11 Лекция.	Транкинговые системы связи	37
12 Лекция.	Сотовые системы связи	41
13 Лекция.	Спутниковые системы связи	45
14 Лекция.	Наземный сегмент	50
15 Лекция.	Основы телевидения	55
16 Лекция.	Электромагнитная совместимость	59
Список литературы		61

 

1       Лекция. Введение. Обобщенная схема канала радиосвязи

 

Цель лекции: ознакомиться с историей развития радиосвязи, изучить обобщенную схему канала радиосвязи

Введение.

Коммуникация - это процесс установления связи между двумя точками пространства и передачи информации между ними.

Телекоммуникация – это установление контакта на расстоянии. Если этот контакт осуществляется с помощью радиоканала, то такую телекоммуникацию называют радиотелекоммуникацией или короче радиокоммуникацией (радиосвязью)

Радиотехника  - область науки и техники, которая предоставляет человеку широкие возможности для передачи информации на большие расстояния с помощью электромагнитных волн.

Информация - совокупность сведений о ка­ком-либо событии, объекте. Для хранения, обработки и преобра­зования информации используют условные символы (буквы, ма­тематические знаки, рисунки, формы колебаний, слова), позво­ляющие представить информацию в той или иной форме.

Сообщение - информация, выраженная в определенной форме, предназна­ченная для передачи. Так, при теле­графной передаче информация представляется в виде букв и цифр. Соответственно сообщением является текст телеграммы, представляющий последовательность этих знаков. В телефонных системах сообщением является речь (непрерывное изменение звукового давления). На практике часто информация представля­ется в двоичной форме, т.е. только двумя условными символами, например 1 и 0. Соответственно сообщением служит последова­тельность конечного числа двоичных символов. Одни сообщения (речь, температура, давление) являются функциями времени, другие (текст телеграммы) - нет. Природа сообщений может быть как электрической, так и неэлектрической.

Для передачи сообщений от источника к получателю ис­пользуют физические процессы, например звуковые и электро­магнитные волны, ток. Физический процесс, отображающий со­общение, называется сигналом. По своей природе сигналы могут быть электрическими, световыми, звуковыми и т. п.   

История развития радиосвязи.

В 1820 году Эрстед, пропуская электрический ток через проводник, обнаружил, что при этом отклоняется стрелка поблизости расположенного компаса.

В 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем было открыто явление электромагнитной индукции и высказано предположение о единстве физической природы магнитной и электрической индукции.

В 1843 г. американский художник, президент американской академии искусств Сэмюэл Морзе (1791-1872) изобрел телеграфный код.

Телефон был изобретен одновременно двумя исследователями – Александром Беллом (1847-1922) и Элиша Греем (1835—1901) - независимо друг от друга.

Английский физик Майкл Фарадей в 1831 году открыл связь электрических и магнитных явлений (электромагнитная индукция), чем ближе всех подошел к раскрытию свойств электромагнитных волн.

В 1865 году Джеймс Клерк Максвелл опубликовал свои знаменитые уравнения, которые описывали связь между магнитными и электрическими полями. Анализируя эти уравнения, Максвелл пришёл к выводу, что должны существовать электромагнитные волны, причём скорость их распространения должна равняться скорости света.

В 1888 г. немецкому ученому Генриху Рудольфу Герцу (1857-1894) удалось опытным путем доказать факт существования электромагнитных волн и найти возможность их обнаружения.

А. С. Попов сделал когерерный приемник, работу которого он продемонстрировал на заседании Русского физико-химического общества (РФХО) 7 мая 1895 года.

В том же 1895 г.  итальянец Маркони подает в Великобритании заявку

на «Усовершенствования в передаче электрических импульсов и сигналов и в аппаратуре для этого».

 

Обобщенная схема канала радиосвязи.

Рисунок 1.1 - Упрощенная структурная схема радиолинии

 

Переда­ваемое сообщение поступает в микрофон, который преобразует речевой сигнал в электрический. Электрический сигнал поступает на радиопередающее устройство, которое состоит из модулятора (М), синтезатора несущей частоты (СЧ) и усилите­ля модулированных колебаний (УМК). С помощью антенны (А) энергия радиоча­стотных колебаний передатчика излучается в окружающее пространство — тракт распространения радиоволн.

На работу любой радиолинии оказывает влияние среда (тракт) распространения. Когда распространение происходит в свободном пространстве, влияние заключается только в ослаблении поля. В случае реальных сред полупроводниковые свойства земли приводят к утечке энергии поля в Землю. Атмосфера Земли является поглощающей неоднородной средой, поэтому возникают ослабление сигнала и искривление траектории дви­жения волны. Верхние слои атмосферы (ионосфера) содержат газ в ионизиро­ванном состоянии, что также оказывает влияние на распространение радиоволн.

На приемном конце радиоволны наводят электродвижущую силу (ЭДС) в ан­тенне. Радиоприемное устройство с помощью селективных цепей (СЦ) отфиль­тровывает нужные сигналы от помех. В детекторе (Д) происходит процесс, обрат­ный модуляции — выделение из модулированных колебаний исходного электри­ческого сигнала, который управляет радиопередатчиком. С помощью преобразователя (громкоговоритель, телефон) электрический сигнал связи преоб­разуется в сообщение, доставляемое абоненту.

Рассмотренная радиолиния обеспечивает одностороннюю передачу речевого сообщения, что приемлемо только в службах оповещения. Для организации двух­сторонней радиосвязи в каждом пункте надо иметь и передатчик, и приемник. Если при этом передача и прием на каждом приемопередатчике осуществляются поочередно, такая связь называется симплексной. Двухсторонняя радиосвязь, при которой связь между приемопередатчиками реализуется одновременно, называет­ся дуплексной.

                               

2 Лекция. Особенности распространение радиоволн

 

Цель лекции: изучить основные принципы излучения электромагнитных волн, ознакомиться с классификацией радиоволн и особенностями распространение радиоволн различных диапазонов. 

Электромагнитные волны.

Сообщения на расстояние могут передаваться с помощью какого-либо материального носителя или физического процесса, протекающего во времени: при письменном способе передачи является бумага; при устном способе передачи - звуковые волны. В радиотехнике материальным носителем являются электромагнитные волны.

Электромагнитные волны — это периодическое изменение во времени и пространстве электромагнитного поля. Электро­магнитное поле является переносчиком сообщения при любом виде электрической связи. Перенос сообщения возможен бла­годаря волновому перемещению электромагнитного поля.

Электромагнитное поле — это особый вид существования мате­рии, обладающий свойствами и вещества и поля.

Основным источником спектра электромагнитных волн является звезда Солнце. Часть спектра электромагнитных волн видит глаз человека. Этот спектр лежит в пределах 380...780 нм (см. рисунок 2.1). В области видимого спектра глаз ощущает свет по-разному. Электромагнитные колебания с различной длиной волн вызывают ощущение света с различной окраской.

Рисунок 2.1 – Спектр электромагнитных волн

 

Часть спектра электромагнитных волн используется для целей радиотелевизионного вешания и связи. Источник электромагнитных волн — провод (антенна), в котором происходит колебание электрических зарядов. Процесс формирования полей, начавшийся вблизи провода, постепенно, точку за точкой, захватывает все пространство. Чем выше частота переменного тока, проходящего по проводу и порождающего электрическое или магнитное поле, тем интенсивнее создаваемые проводом радиоволны заданной длины.

Отли­чие электромагнитного поля от вещества:

1. Переменное электромагнитное поле распространяется в свободном пространстве всегда с одинаковой скоростью — со скоростью света.  В этих же условиях вещество может двигаться с любой скоростью; единственным ограничением является условие, что скорость перемещения вещества всегда меньше скорости света.

2. Различные частицы вещества не могут занимать один и тот же объем. Если, например, заполнить комнату до потолка водой, то воздух в ней сохранить не удастся. В отличие от веще­ства   различные  электромагнитные   поля   (например,  переменные поля различной частоты)  могут занимать одну и ту же область пространства, не взаимодействуя друг с другом. В комнате суще­ствуют одновременно электромагнитное поле света, поля  многих радио- и телевизионных станций (в этом легко убедиться, включив приемник  или телевизор),  электромагнитные   поля  атмосферных помех.

Общим является то, что электромагнитное поле так же, как и вещество, обладает энергией и массой.

Овладение теорией электромагнитного по­ля позволило всего лишь за несколько десятилетий создать современные системы передачи.

В электромагнитном поле электрическая и магнитная составляющие не­разрывно связаны друг с другом. Вблизи движущихся зарядов (вблизи проводника с током) обнаруживается магнитное поле, а, в свою очередь, всякое изменение магнитного поля вы­зывает появление электрического поля. Магнитное поле появляется при любом изменении электрического поля. Согласно теории Максвелла изменение электрического поля следует рассматривать как особую форму тока — ток смещения.  Ток смещения протекает в пространстве, где из­меняется электрическое поле.

Любой колеблющийся электрический заряд является источником переменного электромагнитного поля,  излучающего  в окружающее пространство.

 

 

Рисунок 2.2 - Возникновение электромагнитной волны

 

Если выключить генератор, то в окружающей среде продолжает распростра­няться возникшая электромагнитная волна. Это наблюдалось, например, во время облучения кратковре­менным сигналом поверхности Венеры. После выключения на­земного генератора сигнал достигал поверхности планеты и возвращался в наземный приемник спустя 8 минут.

Максвелл математически доказал, что электромагнитные волны распространяются в свободном пространстве с посто­янной скоростью, равной скорости света (~3-10⁸ м/с).

Если генератор генерирует напряжение, изменяющееся по гармоническому закону, то электромагнитное поле изменяется во времени по гармоническому закону с той же частотой. Определенное состояние колебания назы­вают фазой. Скорость распространения фазы электромагнитной волны называют фазовой скоростью.

В свободном пространстве  .

Расстояние, которое проходит определенная фаза волны за время одного периода колебаний  Т, называется длиной волны:

                                                         

Поверхность, на которой фаза волны одинакова, называется фронтом волны. На больших расстояниях r от диполя при вы­полнении условия r>> фаза волны одинакова на поверхности сферы. Такая волна называется сферической.

Электромагнитная волна, излучаемая источником, уносит в ок­ружающее пространство энергию. Мощность, переносимая волной, характеризуется вектором Пойнтинга. Направление вектора Пойнтинга показывает направление перемещения энергии. Модуль этого вектора равен мощности, переносимой волной через еди­ничную площадку, перпендикулярную вектору

         Деление радиоволн на диапазоны в радиосвязи установлено Международным регламентом радиосвязи

 

Т а б л и ц а 2.1 - Распределение радиоспектра по диапазонам.

Наименование радиоволн, используемое в литературе	Длина волны	Метрическое наименование диапазона волн
СДВ	100-10 км	Мириаметровые
Длинные ДВ	10-1 км	Километровые
Средние СВ	1 км-100 м	Гектометровые
Короткие КВ	100 -10 м	Декаметровые
УКВ	10- 1 м	Метровые
	1 м- 1 дм	Дециметровые
	10- 1 см	Сантиметровые
	10- 1 мм	Миллиметровые

                                      

Все реальные излучатели создают только сферические волны. Но на больших расстояниях от излучателя кривизна фронта мала и можно рассматривать небольшие его участки как плос­кие. Волна, обладающая плоским фрон­том, называется плоской.

Рисунок 2.3 - Распределение в пространстве полей Е и Н плоской электромагнитной волны в определенный момент времени

 

Поляризация определяется положением в пространстве век­тора напряженности электричес­кого поля Е. Если конец вектора Е в данной точке пространства в течение периода колебаний описывает прямую линию, то поляризация называется линейной.

При эллиптической поляризации конец вектора Е в течение периода описывает в пространстве эллипс. Частным случаем эллипти­ческой поляризации является круговая поляризация. Линейно поляризованные волны различают по положению вектора Е отно­сительно поверхности Земли. Если вектор Е лежит в плоскости, перпендикулярной земной поверхности, волна имеет вертикальную поляризацию. У горизонтально поляризованной волны век­тор Е лежит в плоскости, параллельной поверхности Земли.

а — вертикальная поляризация; б — горизонтальная поляризация; в — вращающаяся поляризация

Рисунок 2.4 - Структура электромагнитной волны

 

Дифракция - огибание волной препятствия, размеры которого соизмеримы с длиной волны. Радиоволна, распрост­раняющаяся  вдоль    поверхности    Земли,    называется земной . Чем больше длина волны, тем легче она огибает пре­пятствие, тем  на  большее  расстояние  распространяется  земная волна.

Особенности:

Гектометровые (СВ), километровые (ДВ)  и мириаметровые волны (СДВ)

•         Гектометровые волны распространяются на большие расстояния, что позволяет обеспечить радиовещание на расстояниях около 300 ...400 км при мощности передатчика 100 кВт и при использовании передающих антенн высотой 100 ... 200 м;

•         длинные и сверхдлинные волны используют для аварийной связи в полярных районах, они глубоко проникают в морскую воду. Поэтому их используют для связи с подводными лодками, находящимися в погруженном состоянии, применяют для передачи сигналов точных частот времени и радионавигации. Для радиовещания применяют волны длиной до 2 км;

•         диапазон ДВ применяется для связи на большие расстояния. Они используются радиотелеграфными, станциями, передающими сигналы точного времени и метеосводки, в радионавигационных системах.

Декаметровые волны (КВ)

•         КВ путем многократного отражения от ионосферы и поверхности Земли могут обеспечить связь между любыми точками на земном шаре без применения ретрансляторов при относительно небольших мощностях передатчиков;

•         но на декаметровых волнах невозможно организовать такие же широкополосные радиоканалы, как на УКВ. Замирания;

•         декаметровые волны применяют для радиовещания на большие расстояния, для построения магистральных телефонных и телеграфных линий большой протяженности,   для  связи с морскими судами и самолетами;

•         основное применение КВ находят в радиосвязи и радиовещании на большие расстояния. Часть диапазона используется для РС на короткие расстояния (в сельском хозяйстве, на железнодорожном транспорте, в экспедициях). Часть диапазона используется радиолюбителями.

Сантиметровые, дециметровые и метровые радиоволны (УКВ)

•         УКВ обеспечивает связь только в пределах прямой видимости;

•         эти волны охватывают очень широкий диапазон частот. Поэтому на УКВ возможна передача намного больших потоков информации, чем на более длинных волнах. Только на УКВ  возможно телевидение и высококачественное радиовещание с использованием частотной модуляции (ЧМ);

•         диапазон УКВ используется для передачи телевидения, частотомодулируемого радиовещания и навигации, связи с подвижными объектами и в радиоастрономии;

•         сантиметровые и дециметровые волны применяются в радиолокации, РРЛС, спутниковых системах связи и телевидения.

 

3       Лекция. Антенно-фидерные устройства

 

Цель лекции: изучить общие принципы работы, основные характеристики и параметры антенн.  

Неправильный выбор антенн, их неправильная эксплуатация могут привести к нарушению работы радиолинии, несмотря на применение мощных радиопередатчиков и чувствительных приемников.

Приемные антенны улавливают и преобразуют энергию электромагнитных волн в ВЧ-энергию, поступающую по фидеру (обычно это коаксиальный кабель) к приемнику. От антенны в значительной степени зависит качество принимаемого сигнала.

Передающие антенны преобразуют и излучают подведенную к нему высокочастотную энергию в виде электромагнитных волн в окружающее пространство.

Передающая и приемная антенны обладают свойством взаимности (обратимости), т. е. одна и та же антенна может излучать или принимать электромагнитные волны, причем в обоих режимах она имеет одинаковые свойства (параметры).

Принцип работы передающей антенны

Симметричный вибратор (рисунок 3.3) со­стоит из двух одинаковых цилиндрических проводни­ков (плеч), между которыми включается линия, соединяющая вибратор с генератором (передатчиком) или приемни­ком. Применяется как самостоятельная антенна или как элемент сложной ан­тенны в диапазонах коротких, метровых и дециметро­вых волн.

Поле двухпроводной линии в какой-либо до­статочно удаленной точке равно нулю, так как поля, созданные каждым проводником при , равны по величине, но направлены взаимно противоположно, т.к. токи i1 и i2 находятся в противофазе.

     

Рисунок 3.1 - Симметричный       Рисунок 3.2 - Преобразование симметричной

вибратор                                         линии в симметричный вибратор

 

При развертывании линии токи проводимости в плечах вибратора имеют одинаковые направления, поля, созданные каждым проводником синфазны, и поэтому создают излучение.

Учитывая, что вибратор на конце разомкнут и Iк=0, а  Uк=Uп,

                          

Рисунок 3.3 - Распределение  тока  и напряжения.

Рисунок 3.4 - Диаграммы направленности короткого симметричного вибратора.

Напряжение на концах симметричного вибратора имеет максимальное значение (пучность напряжения) и изменяется вдоль проводов от конца вибратора к точ­кам питания по косинусоидальному закону. Ток на кон­цах вибратора  равен  нулю   (узел  тока)   и изменяется вдоль проводов по синусоидальному закону. В симметричном вибраторе устанав­ливается режим стоячей волны.

Распределение  тока  и напряжения и ДН зависят от относительной длины вибратора:

Короткий        Полутороволновый            Двуволновый

Рисунок 3.5 - Распределение  тока  и напряжения и ДН вибратора

 

Технические параметры антенн

1.     Диаграмма  направленности  f() -

гра­фическое представление зависимости от углов наблюде­ния в пространстве ( и ) напряженности электромаг­нитного поля, созданного антенной, измеренной на до­статочно большом, но одинаковом расстоянии от ан­тенны.

    

Рисунок 3.6 -  ДН: а) — пространственная;          б) — пространственная, рассеченная плоскостями Е и Н

      

 

Рисунок 3.7 -  ДН: а) — в полярной системе координат,  б) — в прямоугольной

 

2.     Коэффициент  защитного действия

3.     Уровень боковых лепестков.

4.     Ширина главного лепестка

 Ширина главного лепестка по нулевому излучению  — .

Ширина главного лепестка   по уровню 0,5 максимальной мощности , что соответствует уровню 0,707 (3дБ) по напряженности поля (см. рисунок 3.7).

5.     Коэффициент направленного действия D -

численное значение КНД показывает, во сколь­ко раз нужно уменьшить мощность излучения, если ненаправленную антенну заменить направленной при сохранении прежней напряженности поля в глав­ном направлении.

 

Антенны РПС расположены на шпиле длиной 148 м, который установлен на железобетонной башне высотой 385 м. Всего на шпиле расположено 7 антенн. В ниж­ней части шпиля, где его диаметр равен 4 м, расположены 10 эта­жей антенны первого телевизионного канала. Эта антенна зани­мает по высоте шпиля 37,4 м. Выше расположены две антенны по 6 этажей для трех программ УКВ ЧМ вещания. Эти антенны по длине шпиля занимают высоту 29 м. Еще выше, расположены 10 этажей антенны третьего телевизионного канала, занимающие по длине шпиля 24 м. Фидерная система шты­ревых антенн расположена внутри шпиля. Выше расположены две антенны соответственно для работы восьмо­го и одиннадцатого каналов. Каждый этаж этих антенн имеет по 4 полуволновых виб­ратора с настроенными рефлекторами. Эти антенны по вы­соте шпиля занимают 25 м. Выше этих ан­тенн располагается антенна тридцать треть­его телевизионного канала. Она имеет высоту 25 м и состоит из 50       этажей.

   Станция, расположенная на технических этажах башни КОК-ТОБЕ:

Высота горы 1070 метров над уровнем моря.

Высота башни 371 метр. Сдана в эксплуатацию в 1983 году. С башни вещают 11 телевизионных каналов и 10 каналов радиовещания.

 

4 Лекция. Особенности антенн различных диапазонов

 

Цель лекции: изучить особенности построения и работы антенн различных диапазонов.

Вибраторные и щелевые антенны диапазона УКВ

Простейшие вибраторные антенны

 

 

 

 

 

 

 

 

а— штыревой; б — коаксиальный; в —с нижним плечом из проводов; г — оба плеча из проводов или трубок; д — диско-конусный

Рисунок 4.1 - Вертикальные вибраторы.

 

Директорные антенны (Волновой канал). В качестве направленных рас­пространены антенны типа волновой канал.  Эта антенна (рисунок 4.2,а) состоит из вибратора Б, рефлектора А и нескольких директоров В, Г и Д. Для упрощения конструкции рефлектор и директоры выполняются вторичными — к ним не подводят питания. Вторичные вибраторы возбуждаются полем первичного вибратора Б.

    

Рисунок 4.2 - Волновой канал

      

а - активная область; в — плоская;

Рисунок 4.3 - Логопериодические антенны

 

Передающие телевизионные антенны

Для передачи телевизионного вещания применяют многовибраторные антенны. Вибраторы таких антенн должны быть широкополосными. Расширить полосу пропускания можно применением вибраторов с малым волновым сопротивлением и использованием схем с компенсацией реактивной составляющей входного сопротивления. На первых  телевизионных станциях   применялись вибраторы Б. В. Брауде, представля­ющие собой плоский   вибратор, совмещенный   с короткозамкнутым  шунтом (рисунок 4.4,а). Реактивные составляю­щие входных  сопротивлений  вибратора  и  шунта имеют разные знаки и частично компенсируются. Наличие нулевого потенциала в точке короткого замыкания шунта позволяет крепить вибратор к опоре в этой точке без изоляторов. Это упрощает грозозащиту.

                     

Рисунок 4.4 - Плоские вибраторы: а -  Брауде;  в — Ж-образный

Рисунок 4.5 - Панельные антенны

Спиральные антенны

Спутниковые системы используют волны эллиптической, близкой к круговой поляризации. Волны такой поляризации позволяют получить спиральные антенны. Спиральная антенна (см. рисунок 4.6) состоит из металлического проводника, свернутого по об­разующей цилиндра или конуса в спираль, расположенную над плоским экраном так, что ось спирали перпендикулярна плоско­сти экрана.

Рисунок 4.6– ДН спиральных антенн

 

Рупорные антенны и облучатели

Одной из простейших антенн является открытый конец волно­вода. Малые (относительно длины волны) размеры сечения от­крытого конца волновода формируют широкую ДН. Для сужения ДН и улучшения согласования необходимо плавно увеличивать сечение волновода, т. е. перейти к рупору.

Рисунок 4.7 -  Рупорные антенны: а — пирамидальный;  б — конический

 

Зеркальные антенны

Зеркальные или рефлекторные антенны состоят из облучателя и рефлектора.

Рефлектор - параболоид вращения отражает падающие на его апертуру параллельные лучи в одну точку, называемую фокусом. Апертура — это часть плоскости, ограниченная кромкой параболоида вращения.

Облучатель – антенна с широкой диаграммой направленности.

 

Рисунок 4.8 – Осесимметричная           Рисунок 4.9– офсетная параболическая параболическая антенна                                                        антенна

Рисунок 4.10 – Диаграмма направленности антенны

 

Антенны декаметровых волн

Простейшей антенной для связи пространственной волной является симметричный горизонтальный вибратор. Ви­браторы выполняются из биметаллического или медного прово­да диаметром 3, 4 и 6 мм и имеют большое волновое сопротивление, примерно равное 1000 Ом (см. рисунок 4.12, а). Входное сопротивление полуволнового вибратора 73,1 Ом, одноволнового — примерно 5000 Ом. Такие входные сопротивления  плохо согласуются с симметричным фидером с Wф=300 или 600 Ом.

  

Рисунок 4.11 - Симметричный                         Рисунок 4.12. Диполь Надененко

горизонтальный вибратор

 

     

Рисунок 4.13 -  Синфазная антенна         Рисунок 4.14 -Синфазная антенна типа    СГД 2/4 РН

Антенны гектометровых, километровых и мириаметровых волн

Рисунок 4.15 - Антенны-мачты  шунтового  питания   (а, б)

 

Антенны декаметровых волн для целей радиовещания долж­ны допускать работу передатчиками большой мощности, быть диапазонными, иметь высокий КПД, позволять независимое формирование ДН в горизонтальной и вертикальной плоскостях, управлять направлением главного излучения.

 

5 Лекция. Сигналы, используемые в радиосвязи

 

Цель лекции: изучить классификацию, параметры и методы представления сигналов, применяемых в радиотехнике.

Для систем передачи информации важна физическая при­рода ее восприятия информации. По этому признаку информация  может быть разделена на слуховую, зрительную и «машинную». Пер­вые два вида соответствуют наиболее емким каналам  вос­приятия информации   человеком.    Пропускная    способность слухового канала составляет тысячи десятичных единиц   ин­формации, а зрительного — миллионы. «Машинная»    инфор­мация предназначена для обработки электронно-вычислитель­ными машинами.

Любой вид информации для передачи должен быть пред­ставлен в соответствующей форме, которая называется сооб­щением.

Сигнал — это материально-энергетическая форма пред­ставления информации. Другими словами, сигнал — это пере­носчик информации, один или несколько параметров которого, изменяясь, отображают сообщение.

Непрерывным (или аналоговым) называют такой сигнал, у которого в заданном интервале времени можно отсчитать бесконечно большое число значений.

Дискретный сигнал в том же   интервале   времени   имеет конечное число значений. Примером дискретного сигнала яв­ляется импульсный.

Сигналом радиовещания называют тот, который несет информацию, предназначенную для населения. Телеви­зионный сигнал — это сигнал, несущий информацию об изоб­ражении движущегося или неподвижного объекта. Сигнал те­леуправления — это специальный кодированный сигнал, пред­назначенный для дистанционного (на расстоянии) управле­ния каким-либо производственным процессом.

С помощью сигналов осуществляется перенос информа­ции в пространстве и времени, т. е. ее передача и хранение. В системах электрической связи используют электрический сигнал. Физической ве­личиной, определяющей такой сигнал, является напряжение (или ток), изменяющееся во времени по закону, отображаю­щему передаваемое сообщение. Математически сигнал описы­вается некоторой функцией времени, например, . Если эта функция заранее известна, то сигнал, который она представляет, называется детерминированным, т. е. известным. В информационном смысле это означает, что детерминированный сигнал соответствует заранее известному переданно­му сообщению, а, следовательно, не содержащему с точки зре­ния получателя какой-либо информации (не известных ему сведений). Сигналы с неизвестными параметрами для получателя будут представлять случайный процесс. Таким образом, передача информации — это передача случайных сигналов.

Различают следующие основные типы детерминированных сигналов: периодические и непериодиче­ские. Периодическим называют сигнал, повторяющийся через определенные промежутки времени.

Непериодические сигналы представляются функцией, за­данной на конечном интервале времени, вне которого она принима­ется тождественно равной нулю. Форма такого сигнала мо­жет быть любой.

Случайным сигналом является такой, значения параметров которого случайны и заранее не известны и могут быть определены с некоторой степенью ве­роятности. Такие сигналы описываются случайными функция­ми. Аргументом случайной функции может быть величина любой физической природы, но для сигналов такой величи­ной обычно является время.

Однако получатель всегда распо­лагает некоторыми предварительными сведениями о сигнале. Обычно известен весь ансамбль (набор) возможных сигналов, которые могут передаваться по данной системе связи.

Физические характеристики сигнала

Для систем передачи имеют важное значение лишь три основных параметра:

1. Время передачи.  Для передачи сигнала, несущего большую информацию, при прочих равных условиях, требуется и боль­шее время.

2. Динамическим диапазоном характеризуют пределы изме­нения мощности сигнала. Оценивают динамический диапазон логарифмом отношения крайних значений мощностей сигнала

, т.е.

 (дБ)

Динамический диапазон речи составляет 43 дБ, а для оркестра 56 дБ..

3. Ширина полосы спектра частот сигна­ла  также связана с объемом информации, которую несет сигнал. Ширина полосы частот равна разности максимальной и минимальной частотных компонент сигнала . Например, необходимая ширина полосы телефонно­го сигнала, обеспечивающая достаточную разборчивость и воспроизведение тембра речи, составляет от 300 до 3400 Гц, т. е. 3,1 кГц. Для качественной музыкальной передачи необ­ходима полоса примерно от 50 до 10000 Гц.

 называют объемом сигнала.

Объем сигнала пропорционален объему информации, им переносимой. При этом, один и тот же объем можно получить при различных соответствующих значениях . Это обстоятельство используется на практике при преобразовании сигналов без потери количества информации.

 

 

Емкость канала

Емкость канала передачи имеет три составляющие: время Тк, в течение которого канал занят передачей сигнала, полоса пропуска­ния  и динамический диапазон Dк.

 - емкость канала

Емкость канала должна соответствовать объему передаваемого сигнала, т. е. Vк = Vс. Это равенство выражает условие согласования канала и сигнала. Даже в канале без помех нарушение этого условия приводит к потере информации в процессе передачи.

Временное и спектральное представление сигналов

Временная форма представления сигнала — это описание изменения его параметров в функции времени. Такая форма описания позволяет определить энергию, мощность и дли­тельность сигнала.

где Ат    — амплитуда,  — угловая частота,  — на­чальная фаза сигнала.

Для исследования частотных свойств сигналов использу­ется спектральное представление функции с помощью преоб­разования Фурье временной формы. Эта характеристика иг­рает особую роль, так как определяет параметры аппаратуры канала. Главное внимание при этом уделяется определению ширины спектра сигнала, поскольку этот фактор использует­ся для согласования сигнала с каналом: отсутствие потерь информации возможно только в том случае, если ширина спектра сигнала не превышает ширину полосы пропускания канала.

Любой периодический сигнал и(t) на произвольно заданном интервале вре­мени от момента t = tо до t = t1  можно рассматривать как сумму простых гармонических колебаний

                                       (5.1)

Правая часть (5.1) содержит лишь гармонические колебания с частотами, кратными основной частоте. Все такие слагаемые являются периодическими функциями. Следовательно, и их сумма представляет собой периодическую функцию времени с периодом T, совпадающую с функцией и(t)  на интервале от момента времени to до t1. Таким образом, если периодическая функция представлена рядом Фурье на интервале времени, равном ее периоду, то этот ряд Фурье представляет данную функцию на всей оси времени

Если u(t) — функция четная, т. е. , то соот­ветствующий ей ряд Фурье будет содержать только косинусоидальные члены. Для нечетной функции  ряд Фурье содержит только синусоидальные члены.

Полученный ряд Фурье дает возможность построить спектральные диаграммы для амплитуд и фаз периодического сигнала. Обе диаграммы имеют дискретную линейчатую структуру. Спектральная диаграмма амплитуд показывает распределение энергии сигнала между составляющими его спектра. Пример такой диаграммы показан на рисунке 5.1. Струк­тура спектра периодического сигнала полностью определяет­ся значениями амплитуд и фаз гармоник. Высота линий спектра амплитуд пропорциональна амплитуде данной гармо­ники, поэтому их высоты различны. Основание спектральной линии на оси частот лежит в точке, соответствующей частоте гармоники.

           

Рисунок 5.1 - Спектральная диаграмма             Рисунок 5.2 - Даграмма спектра

                            амплитуд                                                    фаз

 

Длины линий спектра фаз пропорциональны значению фаз. На рисунке 5.2 приведен пример диаграммы спектра фаз, из ко­торой видно, что

Спектром амплитуд пользуются для определения ширины полосы частот, занимаемой данным сигналом.

 

6 Лекция. Формирование радиосигналов

 

Цель лекции: изучить сущность процесса амплитудной, частотной и фазовой модуляции.

Модуляцией называется процесс управления одним или несколькими параметрами несущей (переносчика информа­ции) в соответствии с изменением параметров первичного сиг­нала. Модулируемый параметр носителя называется инфор­мационным.

Несущее — гармоническое колебание  имеет три параметра: амплиту­ду , частоту  и фазу . Переносимая таким носителем информация может быть отра­жена в изменении амплитуды, частоты или фазы. Модуляция в каждом из указанных случаев получает название соответст­венно амплитудной АМ, частотной ЧМ или фазовой ФМ.

Амплитудная модуляция

Амплитудной модуляцией называют такое управление ин­формационным параметром несущей, при котором по закону модулирующего сигнала изменяется ее амплитуда. В случае гармонического носителя математическая модель амплитудно-модулированного сигнала

,

где  - коэффициент амплитудной модуляции показывает, какую долю составляет отклонение амп­литуда несущей от ее среднего значения в результате модуля­ции.

Спектр АМ-сигнала, который в данном случае состоит из трех составляю­щих, основной, верхней и нижней боковой:

      Рисунок 6.1 -                                         Рисунок 6.2 -

Спектр АМ-сигнала                           Временная диаграмма АМ-сигнала

 

Амплитуды боковых составляющих спектра зависят от коэффициента амплитудной модуляции и не превышает 0,5Uт при т = 1. Коэффициент модуляции обычно выражается в процентах: т = 100%.

Передача АМ сигнала одной боковой полосой

В результате модуляции амплитуды несущей в спектре сигнала появляются боковые полосы, в которых и содержит­ся передаваемая информация. Анализ показывает, что при т=1 66,6% всей колебательной мощности затрачивается на передачу колеба­ний несущей частоты и только 33,3% мощности приходится на информационную составляющую спектра, т. е. на две бо­ковые полосы.

В связи с этим возникла идея системы передачи, в которой вся мощность тратилась бы только на передачу информацион­ного сигнала. При этом спектр сигнала состоит из двух боко­вых полос, содержащих одну и ту же равную информацию. Полоса передаваемого спектра имеет ту же ширину. Если ис­ключить из передачи одну из боковых, то полоса сужается вдвое. Так родился способ передачи информации одной боко­вой полосой (ОБП).

Преимущества:

·        не тратится мощность на передачу несущих колебаний; за счет этого можно увеличить мощность колебаний передавае­мой боковой полосы, а следовательно, и дальность   действия связи;

·        при отсутствии модуляции мощность не расходуется, так как передачи несущих колебаний нет; меньше занимаемая полоса, что позволяет отведенную для системы полосу частот уплотнить большим чис­лом каналов;

·        требуется более узкая полоса про­пускания приемника, что повышает помехозащищенность  за счет снижения уровня помех в рабочей полосе.

 

7 Лекция. Частотная и фазовая модуляция

 

Цель лекции: изучить сущность процесса частотной и фазовой модуляции.

Амплитудная манипуляция

Амплитудная манипуляция — частный случай амплитудной мо­дуляции несущей дискретным сигналом. В радиосвязи любой способ передачи телеграфных (дискретных) сигналов называют манипуляцией. В результате на­ряду с амплитудной существует частотная (ЧТ) и фазовая (ФТ) манипуляция.

              Рисунок 7.1 -                                                Рисунок 7.2 -

Временная диаграмма при                                      Спектр сигнала при 

амплитудной манипуляции                             амплитудной манипуляции

 

Амплитудную манипуляцию можно рассматривать как мо­дуляцию сигналом со спектром, богатым гармониками. Спектр модулированного сигнала состоит из несущей и двух боковых. Каждая составляющая последних связана с соответствующей гармоникой модулирующего сигнала. Чем ближе форма теле­графной посылки к прямоугольной, тем более высокочастот­ные гармоники присутствуют в его спектре, тем шире спектр манипулированного сигнала.

Теоретически спектр сигнала при амплитудной манипуля­ции бесконечен (рисунок 7.2). На практике бесконечный спектр ограничивается полосой пропускания фильтра.

Ограничение спектра на приемной стороне приводит к откло­нению формы воспроизводимой посылки от прямоугольной. Но это не ведет к потере информации, так как не форма посылки является информационным параметром, а наличие самой по­сылки. Кроме того, в современных системах телеграфной свя­зи применяются устройства, позволяющие регенерировать (восстанавливать) прямоугольную форму посылки. Все это позволяет при обработке сигнала на приеме ограничить его спектр третьей гармоникой.

Частотная и фазовая модуляция

ЧМ и ФМ - способы угловой модуляции. Частотная модуляция (ЧМ) — это управление частотой несу­щего колебания по закону модулирующего сигнала. При фа­зовой модуляции по закону модулирующего сигнала меняется фаза несущей. В том и другом случае амплитуда несущего колебания должна оставаться постоянной. Но ЧМ всегда со­провождается и изменением фазы.

Пока модулирующего сигнала нет, модуляция отсутствует, и частота несущей остается постоянной. Когда включается мо­дулирующий сигнал, частота несущей на­чинает изменяться. Положительные мгно­венные значения отображаются увеличением, а отрицатель­ные — уменьшением частоты несущей на некоторую величину . Тогда частота несущей будет изменяться по закону изменения амплитуды модулирующего сигнала.

Максимальное отклонение  частоты в процессе модуляции называется девиацией.

Рисунок 7.3 - Временная диаграмма ЧМ-сигнала

 

Амплитуда изменения фазы (девиация   фазы)    при   ЧМ  называется индексом ЧМ . Он прямо пропорционален девиации частоты и обратно пропорционален зна­чению модулирующей частоты.

.

Если модулирующий сигнал не гармонический, то 

.

Следует иметь в виду, что, несмотря на то, что ЧМ всегда сопровождается ФМ, а  и  связаны прямо пропорцио­нальной зависимостью , ФМ сигнал и ЧМ сигнал не тождественны. При сложном модулирующем сигнале де­виация частоты зависит не только от девиации фазы, но и от частоты модулирующего сигнала. При ФМ в соответствии с передаваемым сигналом изменяется фаза несущих колебаний: девиация фазы пропорциональна амплитуде модулирующего сигнала. Сопровождающую при этом девиацию частоты нель­зя считать пропорциональной амплитуде модулирующего сиг­нала, так как связывающий  и  коэффициент           пропор­циональности и изменяется в процессе модуляции.

Математическая модель ЧМ сигнала при моду­ляции простым гармоническим сигналом

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7.4 - спектр ЧМ сигнала

 

8 Лекция. Радиопередающие устройства

 

Цель лекции: изучить основные функциональные узлы радиопередатчика.

Любая система радиосвязи включает в себя радиопередающее уст­ройство, функции которого заключаются в преобразовании энергии постоянного тока источников питания в электромагнитные колебания и управлении этими колебаниями.

Началом развития техники радиопередающих устройств считается, когда А. С. Попову удалось передать первую радиограмму на расстояние 250 м. В дальнейшем, используя на передатчике антенну, А С. Попов смог увеличить дальность радиосвязи до 5 км, а затем - до 45 км. В радиопередатчике А. С. Попова использовался единственно известный в то время принцип получения колебаний высо­кой частоты — с помощью искрового разряда.

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

Структура передатчика 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 8.1 - Функциональная схема радиопередатчика

 

Генератор высокой частоты (задающий или опорный) 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 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 стабильности; 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, 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 (генератор 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 (см. рисунок 8.1). 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.

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

Вид модуляции, рабочая частота (диапазон рабочих частот) и выходная мощность определяются назначением передатчика. Ориентировочно классификация РПДУ по диапазону частот и колебательным мощностям:

- 10кГц - 100кГц – сверхнизкие частоты (объекты ниже уровня моря – шахты, подводные лодки и др.)  мощностью до 100кВт;

- 100-250кГц - диапазон ДВ (применяют вещательные передатчики мощностью до 2 МВт);

- 525-1625кГц - диапазон СВ -  до 1 МВт;

- 250-525кГц - применяют в радионавигации (суда, самолеты) - до 50 кВт;

- 1.5-30МГц - радиовещательные станции мощностью до 200 кВт, а также передатчики магистральных линий связи (телеграф, телефон);

- 35-45МГц - низовая, стационарная или подвижная связь (в пределах города или района) мощностью 10-15Вт, частотная модуляция;

- 48,75-230МГц - частоты телевизионных каналов (метровый диапазон 12 телевизионных каналов), амплитудная модуляция, звуковое сопровождение с частотной модуляцией;

- 66-72МГц - диапазон УКВ;

- 140-160МГц - низовая связь;

- 430-1000МГц - диапазон ДМВ (440-460МГц выделены для низовой связи);

- 11ГГц - радиорелейная связь, бортовые станции искусственных спутников Земли мощностью  40-200Вт, наземные передатчики на спутники мощностью 4-15кВт, передатчики тропосферных линий связи мощностью 4-15кВт;

- 10¹³-10¹⁵ Гц - оптические линии связи. В качестве передатчиков используются лазеры и светодиоды (на одной оптической частоте можно передать всю информацию радиодиапазона).

По своему назначению радиопередающие устройства имеют название системы, в которую они входят:

- радиосвязные (магистральные, зоновые, низовые, радиорелейные, тропосферные, спутниковые и др.);

- радиовещательные;

- телевизионные (передатчики изображения и звукового сопровождения);

- радиолокационные и радионавигационные;

- радиотелеметрические и другие.

В зависимости от диапазона частот и колебательной мощности передатчики могут быть выполнены:

- на радиолампах;

- на транзисторах, микросборках или микросхемах;

- на элементах СВЧ- техники (магнетроны, диоды Ганна, ЛБВ и др.).

Основными направлениями развития радиопередающих устройств в настоящее время являются:

- разработка и создание новых типов транзисторов, способных работать на частотах до 40ГГц с выходной мощностью до несколько десятков Вт;

- использование цифровых, помехозащищенных способов модуляции;

- освоение более высокочастотных диапазонов.

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

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.

Побочными излучениями радиопередатчика называются излучения на частотах, расположенных за пределами полосы, которую занимает передаваемый радиосигнал. К побочным излучениям относятся гар­монические излучения передатчика, паразитные излучения и вредные продукты взаимной модуляции.

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

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 10 000 раз (на 40 дБ) ниже мощности основного излучения и не более 50 мВт.

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 10 000 раз (на 40 дБ) ниже мощности основного излучения и не более 50 мВт.

 

9 Лекция. Радиоприемные устройства

 

Цель лекции: изучить основные функциональные узлы радиоприемника.

Слово «радио» появилось не сразу. Радиосвязь сначала называли телеграфом и телефоном без проводов. Такое название впоследствии заменили более ко­ротким словом «радио». Оно происходит от латинского слова — радиус, что в переводе означает луч. Беспроводную передачу назвали радиопередачей, или, коротко, радио, потому что радиостанции излучают волны, подобно лучам света, по радиусам во все стороны или в некото­рых определенных направлениях.

Радиоприемным устройством называется устройство, предназначенное для улавливания электромагнитной энергии, преобразо­вания и использование ее с целью воспроизведения передаваемой информации.

Функции РПУ:

1) преобразование энергии электромагнитного поля сигнала в радиочастотные токи и напряжения - выполняет антенна;

2) выделение сигнала из помех;

3) усиление радиосигнала;

4) преобразование радиосигнала в первичный электрический сигнал — выполняется детектором;       

5)  преобразование первичного электрического сигнала в сообщение — осуществляется оконечным устройством, в качестве которого в зависимости от назначения радиоприемного устройства используют телефон, громкоговоритель, электронно-лучевую трубку, реле, ЭВМ и др.

Значительным усовершенст­вованием детекторного приемни­ка явилось введение между ан­тенной и детектором резонанс­ного контура, настраиваемого на частоту принимаемого сигнала. Благодаря свойству контура выделять сигналы, часто­ты которых равны резонансной, удалось уменьшить уровень по­мех на выходе детекторного приемника. Так была осуществлена избирательная функция.

Рисунок 9.1 - Детекторный приемник

 

Рисунок 9.2 - Радиоприемник прямого усиления

Недостат­ки:

·        плохая избирательность,

·        малая чувствительность,

·        непостоянство коэффициента усиления и полосы пропускания в пределах рабочего диапазона.

Рисунок 9.3 - Супергетеродинный приемник

 

Недостатки:

побочные каналы приема:

•         канал помехи прямого прохождения;

•         зеркальный канал.

 

         Рисунок 9.4 - Побочные каналы приема

 

Входная цепь предназначена для осуществления  предварительной   частотной избирательности и наилучшей передачи энергии принятого радиосигнала из антенны на вход первого каскада радиоприемника.

Входная цепь представляет собой колебательную систему, связан­ную с антенной и первым каскадом приемника элементами свя­зи.

Усилители радиочастоты -

каскады, осуществляющие усиле­ние сигналов на их частоте и обеспечивающие частотную избирательность. УРЧ должен иметь в своем составе электронный прибор и избирательную систему. Избирательная система выполняет роль нагрузки электронного прибора.

 

Требования:

·        УРЧ должны обладать малыми собственными шумами и большим коэффициентом передачи мощности;

·        УРЧ совместно с входной цепью должны обеспечивать избирательность приемника по зеркальному каналу и каналу помехи прямого прохождения;

·        УРЧ должны обеспечивать защиту антен­ны от проникновения в нее колебаний гетеродина, которые могут создавать помехи соседним радиоприемным устройствам.

Преобразователи частоты -

каскады радиоприемника, в которых осуществляется преобразование колебаний принимаемых сигналов одной радиочастоты в колебания промежуточной час­тоты. При преобразовании частоты происходит процесс линейного переноса спектра принимаемого сигнала из одной области радио­частот в другую без изменения закона и вида модуляции.

К преобразовательному прибору подводятся два напряжения: напряжение сигнала ис и напряжение гетеродина иг. На выходе преобразователя частоты выделяется напряжение промежуточной частоты .

Усилителями промежуточной частоты (УПЧ) — каскады супергетеродинного радиоприемника, которые усиливают принимаемый сигнал на постоянной промежуточной частоте.  Усилитель про­межуточной частоты должен:

·        обе­спечивать основное усиление принимаемого сигнала для нормаль­ной работы детектора;

·         основную избирательность приемника по соседнему каналу.

Рисунок 9.5 – Структурная схема преобразователя частоты.

 

Для этого УПЧ должен иметь большой коэф­фициент усиления (порядка сотен тысяч раз). Обычно УПЧ со­стоит из двух-трех и больше каскадов. Отличительной особенностью УПЧ является то, что частота усиливаемого сигнала постоянна. Она не изменяется при измене­нии частоты принимаемого сигнала, если приемник перестраива­ется на другую станцию. Это дает возможность применить в УПЧ сложные избирательные цепи, обеспечивающие частотные характеристики, близкие к прямоугольным.

В радиовещательных приемниках АМ-сигналов промежуточ­ная частота обычно выбирается порядка 465 кГц, при приеме ЧМ-сигналов—10,7 МГц.

Детекторы предназначены для преобразования спектра модулиро­ванного колебания с целью выделения из него модулирующего сигнала, несущего информацию. Детекторы выполняются на нелинейных или параметрических элементах.

В зависимости от вида модуляции высокочастотного несущего колебания детекторы разделяют на амплитудные, импульсные, частотные и фазовые. 

 

10 Лекция. Современные системы связи. РРЛС

 

Цель лекции: ознакомиться с классификацией радиосистем передачи информации, изучить принципы построения РРЛС.

Системы радиосвязи

Совокупность радиотехнических устройств, осуществляющих передачу информации от источника информации к получателю, называется системой передачи информации

Радиорелейные системы связи

Радиорелейная связь осуществляется в диапазоне дециметровых (УВЧ) и сантиметровых (СВЧ) волн. Преимуществом этих диа­пазонов является широкополосность, и, помимо того, что возможна работа большого числа станций, сигнал каждой из них может за­нимать достаточно широкий участок частотного спектра. Это об­стоятельство позволяет образовать в этих диапазонах широкопо­лосные каналы и применить помехоустойчивые виды модуляции, требующие, как правило, широкого спектра частот.

Однако диапазон дециметровых и сантиметровых волн имеет существенный недостаток, заключающий­ся в том, что распространение волн этих диапазонов происходит практически в пределах прямой видимости между антеннами стан­ций. Например, если антенны установлены на мачтах высотой 50 м, то с учетом кривизны Земли, прямая видимость между антеннами, а следовательно, и дальность связи на среднепересеченной местно­сти будет составлять около 50 км.

Под радиорелейной связью понимают радиосвязь, основанную на ретрансляции радиосигналов дециметровых и более коротких волн станциями, расположенными на поверхности Земли.

Передача радиосигналов по РРЛ осуществляется последовательно от первой станции ко второй, затем к третьей и т. д. Расстояния между станциями зависят от рельефа местности и высоты опор. 

РРЛ прямой видимости -  применяется поверхностная волна.

ТРЛ - применяется переизлучение электромагнитной энергии УКВ радиоволн неоднородностями тропосферы.

Идея ретрансляции сигналов, как средства увеличения даль­ности связи, появилась достаточно давно. Еще в 1858 г. академик Б. С. Якоби предложил телеграфную трансляцию. Линии связи, использующие дальнее тропосферное распростра­нение и получившие название дальних тропосферных РРЛ, за рубе­жом начали осваиваться с 1955 г.

Радиорелейной линией прямой видимости называется цепочка приемо-передающих станций, расположенных на расстояниях устойчивой связи в пределах прямой видимости антенн.

Расстояние прямой видимости (длина пролета) - это расстояние между соседними РРС, которое можно определить по приближенной формуле для случая гладкой сферической земной поверхности:

                       

где h1 и h2 – высоты подвеса антенн в метрах.

В этих линиях в среднем через 50 км на промежуточных станциях производится прием сигналов, их усиле­ние и излучение к следующей станции.

Для работы РРЛ выделены полосы частот, расположенные в области 0,4; 2; 4; 6; 8 и 11 ГГц (длина волн соответственно 75; 15; 7,5; 5; 3,75 и 2,73 см). Это позволяет, во-первых, осуществить большую пропускную способность (передавать через общий прие­мопередатчик сотни и тысячи телефонных сообщений или про­грамму телевидения) и, во-вторых, создать антенны с большими коэффициентами усиления 30—40 дБ (10³—10⁴ по мощности).

Рисунок 10.1 – Радиорелейные линии связи: а — прямой видимости; б — дальняя тропосферная; в — спутниковая

 

В состав радиорелейной системы входят различные типы стан­ций: оконечные, промежуточные и узловые. На оконечных стан­циях (ОРС) производится введение и выделение передаваемых сообщений (например, телевизионных или многоканальных теле­фонных сообщений). Промежуточные станции (ПРС) предназна­чены для ретрансляции радиосигналов, т. е. в них осуществляет­ся прием сигналов от предыдущей станции, их усиление и пере­дача в направлении последующей станции. На некоторых ПРС мо­жет осуществляться выделение телевизионных сообщений для по­дачи их к местному телевизионному центру. На узловых станциях (УРС) производится не только выделение всех или части пере­даваемых сообщений и введение новых, но и ответвление сообще­ний для передачи их по другим РРЛ или кабельным линиям. Современные РРЛ обеспечивают передачу телевизионных про­грамм, а также сотен и тысяч телефонных разговоров на расстоя­ния в несколько тысяч километров с весьма высокими качествен­ными показателями, полностью удовлетворяющими требованиям ЕАСС и рекомендациям МККР и МККТТ. Одновременная переда­ча большого количества телефонных разговоров или телевизионно­го изображения совместно с сигналом звукового сопровождения осуществляется с помощью аппаратуры разделения каналов, кото­рая входит в состав оборудования ОРС и УРС, а также тех ПРС, где требуется выделение телевизионных сообщений.

Частотное и временное разделение каналов

В существующих РРЛ наиболее широко распространено час­тотное разделение каналов (ЧРК), используемое как при передаче большого числа телефонных разговоров, так и совместной пере­даче сигналов телевизионного изображения и звукового сопровож­дения.

Принцип ЧРК поясняется рисунок 10.3, на котором пунктиром обве­дены передающая часть (Пер Ч) и приемная часть (Пр Ч) аппаратуры ЧРК.

 

Рисунок 10.2 –Структурная схема, поясняющая принцип ЧРК при передаче телефон­ных сообщений

В Пер Ч входят индивидуальные преобразователи передачи (ИПП) и полосовые фильтры (ПФ). Аналогичные ПФ входят в Пр Ч; кроме того, в Пр Ч входят индивидуальные пре­образователи приема (ИППр) и низкочастотные фильтры Ф.

При временном разделении каналов (ВРК) каждый канал по общей для всех каналов линии связи передается не непрерывно (как это было при ЧРК), а периодически.

а — на выходе ИПП1, б —на выходе ИПШ2; в — групповой спектр Рисунок 10.3 – Спектры частот на выходе ИПП и групповой спектр

 

Период, через который осуществляется подключение к общей линии каждого абонента, называется периодом дискретизации ТД и определяется теоремой В. А. Котельникова:

Здесь  — верхняя частота передаваемого спектра, Гц.

При передаче телефонных сообщений , , поэтому принято выбирать .

Таким образом, информация от каждого абонента в системах с ВРК может передаваться посредством импульсов длительностью , период повторения которых равен .

Кроме импульсов абонентов, для синхронизации работы прием­ной и передающей частей каналообразующей аппаратуры при ВРК за период   необходимо передавать специальные синхрони­зирующие импульсы (СИ), отличающиеся от канальных импульсов, например, шириной. Поэтому суммарная последовательность импульсов с учетом СИ будет иметь вид, показанный на рисунке 10.5. Для упрощения показаны канальные импульсы лишь трех абонентов; современные системы с ВРК до­пускают передачу по общей линии связи до 24—36 абонентов.

а, б, в — импульсы первого,   вто­рого   и   третьего абонентов;

г — суммарная последовательность им­пульсов трех абонентов

Рисунок 10.4 –  Импульсы, передаваемые в системе с ВРК

 

Рисунок 10.5 –  Суммарная последова­тельность импульсов абонентов и синхроимпульсов

 

Рисунок 10.6 – Структурная схема переда­ющей части аппаратуры с ВРК

 

11 Лекция. Транкинговые системы связи

 

Цель лекции: изучить основные принципы построения транкинговых систем связи.

Транкинговыми системами называются радиально-зоновые системы наземной подвижной радиосвязи, осуществляющие автоматическое распределение каналов связи ретрансляторов между абонентами. Под термином «транкинг» понимается метод равного доступа абонентов к выделенным каналам с автоматическим их распределением между абонентами. Этот принцип давно используется в телефон­ных сетях общего пользования, откуда в радиосвязь и пришло слово «trunk» (пу­чок, т. е. пучок равнодоступных каналов).

Транкинг — это одна из концепций разделения каналов в системах мобильной радиосвязи. Этот метод управления распределением каналов обеспечивает автома­тическое выделение пользователю свободного канала, что сокращает время ожи­дания и обеспечивает большую пропускную способность системы связи при том же количестве радиоканалов. Концепция транкинга основана на предположении, что каждый пользователь системы использует радиоканал в течение небольших периодов времени, и большинство пользователей не используют систему одновре­менно. В разных транкинговых системах могут использоваться различные методы автоматического распределения каналов: выделение канала на время одной пере­дачи, на все время радиообмена; управляющий канал; совмещение функций управляющего и рабочего каналов.

В настоящее время в мире производится целый ряд транкинговых систем, от самых простых аналоговых (SmartTrunk, LRT, ESAS) до цифровых (ТЕТRА, IDEM и АРСО 25).

В то время как абонентам сотовых сетей требуются в основном индивидуальные вызовы между двумя абонентами, профессиональные пользователи транкинговых систем работа­ют преимущественно в режимах групповой и диспетчерской связи в своей органи­зации или локальной группе. В то же время требования профессиональных поль­зователей к скорости доступа и надежности радиосвязи более высокие, чем у або­нентов сотовых систем.

На рынке мобильной радиосвязи транкинговые системы занимают нишу меж­ду «обычными» радиостанциями и сотовыми телефонами. С технической точки зрения современные транкинговые системы близки к сотовым, а основные отли­чия заключаются в их функциональных назначениях.

В зависимости от назначения транкинговые системы можно разделить на две категории:

1) коммерческие (общего пользования) — РАМR;

2) специального применения (профессиональные) — РМR.

Коммерческие системы РАМR отличаются постоянной высокой пропускной способностью на территориях, где имеется платежеспособный спрос на услуги по­движной радиосвязи. Другая особенность этих систем — в необходимости сопря­жения с ТФОП для большого числа абонентов, причем абонентские радиостанции должны обеспечивать дуплексный режим.

Профессиональные системы РМR должны удовлетворять требованиям по обес­печению в особые периоды (аварийная ситуация, мероприятия сил общественной безопасности, крупная технологическая операция и т. д.) одновременной работы большого числа абонентов либо на максимально возможной, либо на ограничен­ной проводимыми оперативными мероприятиями территории.

К транкинговым системам РАМR можно отнести системы стандартов МРТ1327, ТЕТRА и iDTN, а к системам РМR — транкинговые системы «фирмен­ных» протоколов: ЕDАСS, SmartSone и т. п., а также специально разработанные системы стандартов ТЕТRАРОL и АРСО 25.

Рисунок 11.1 –  Классификация транкинговых систем радиосвязи

По методу передачи речевой информации транкинговые системы подразделяются на аналоговые и цифровые. Передача речи в радиоканале аналоговых систем осуществляется с использованием частотной модуляции, а шаг сетки частот обычно составляет 12,5 или 25 кГц. Для передачи речи в цифровых системах используются различные типы вокодеров, преобразующих аналоговый речевой сигнал в цифровой поток со скоростью не более 4,8 кбит/с.

В зависимости от количества базовых станций и общей архитектуры различают однозоновые и многозоновые системы. Первые располагают лишь одной базовой станцией, вторые — несколькими базовыми станциями с возможностью роуминга. По способу поиска и назначения канала различают системы с децентрализо­ванным и централизованным управлением.

В системах с децентрализованным управлением процедуру поиска свободного канала выполняют абонентские радиостанции. В этих системах ретрансляторы ба­зовой станции обычно не связаны друг с другом и работают независимо. Особен­ностью систем с децентрализованным управлением является относительно боль­шое время установления соединения между абонентами, растущее с увеличением числа ретрансляторов. Такая зависимость вызвана тем, что абонентские радио­станции вынуждены непрерывно последовательно сканировать каналы в поисках вызывного сигнала (последний может поступить от любого ретранслятора) или свободного канала (если абонент сам посылает вызов).

В системах с централизованным управлением поиск и назначение свободного канала производятся на базовой станции. Для обеспечения нормального функци­онирования таких систем организуются каналы двух типов: рабочие (Traffic Channels) и канал управления (Control Channel). Все запросы на предоставление связи направляются по каналу управления. По этому же каналу базовая станция изве­щает абонентские устройства о назначении рабочего канала, отклонении запроса либо о постановке запроса в очередь.

Во всех транкинговых системах каналы управления являются цифровыми. Раз­личают системы с выделенным частотным каналом управления и системы с рас­пределенным каналом управления. В системах первого типа передача данных в канале управления производится со скоростью до 9,6 кбит/с. а для разрешения конфликтов используются протоколы типа ALOHA.

В системах с распределенным каналом управления информация о состоянии системы и поступающих вызовах распределена между низкоскоростными субкана­лами передачи данных, совмещенными со всеми рабочими каналами. Таким обра­зом, в каждом частотном канале системы передается не только речь, но и данные канала управления. Для организации такого парциального канала в аналоговых си­стемах обычно используется субтональный диапазон частот 0—300 Гц.

По способу предоставления (удержания) канала различают системы, которые позволяют абонентам удерживать канал связи на протяжении всего разговора или только на время передачи.

Архитектура транкинговых систем связи

Когда же ра­диостанция находится в режиме ожидания, ее приемное устройство постоянно сканирует (просматривает) либо все каналы системы, либо только управляющие. Для вызова соответствующего абонента всеми базовыми станциями транкинговой системы связи по управляющим каналам передается сигнал вызова. Радиостанция вызываемого абонента при получении этого сигнала отвечает по одному из сво­бодных каналов управления. Базовые станции, принявшие ответный сигнал, пере­дают информацию о его параметрах в центр коммутации, который, в свою оче­редь, переключает разговор на ту базовую станцию, где зафиксирован максималь­ный уровень сигнала радиостанции вызываемого абонента.

Во время набора номера радиостанция занимает один из свободных каналов, уровень сигнала базовой станции, в котором в данный момент максимален. По мере удаления абонента от базовой станции или в связи с ухудшением условий распро­странения радиоволн уровень сигнала уменьшается, что ведет к ухудшению качест­ва связи. Улучшение качества связи достигается путем автоматического переключе­ния абонента на другой канал.

Рисунок 11.2 –  Структурная схема однозоновой транкинговой системы

Инфраструктура транкинговой системы представлена базовой станцией (БС), в состав которой, помимо радиочастотного оборудования (ретрансляторы, устройство объединения радиосигналов, антенны), входят также коммутатор, устройство управления и интерфейсы различных внешних сетей.

Ретранслятор (РТ) представляет собой набор приемопередающего оборудова­ния, обслуживающего одну пару несущих частот. В настоящее время предусматривается временное уплотнение, один РТ может обеспе­чить два или четыре канала трафика (КТ).

Важнейший принцип построения транкинговых систем заключается в том, чтобы создавать зоны радиопокрытия настолько большими, насколько это воз­можно. Поэтому антенны базовой станции, как правило, размещаются на высо­ких мачтах или сооружениях и имеют круговую диаграмму направленности. Базо­вая станция может располагать как единой приемопередающей антенной, так и раздельными антеннами для приема и передачи. В некоторых случаях на одной мачте могут размещаться несколько приемных антенн для борьбы с замираниями, вызванными многолучевым распространением.

Устройство объединения радиосигналов позволяет использовать одно и то же антенное оборудование для одновременной работы приемников и передатчиков на нескольких частотных каналах. Ретрансляторы транкинговых систем работают только в дуплексном режиме, причем разнос частот приема и передачи (дуплекс­ный разнос) в зависимости от рабочего диапазона составляет от 3 до 45 МГц.

Коммутатор в однозоновой транкинговой системе обслуживает весь ее трафик, включая соединение подвижных абонентов с телефонной сетью общего пользова­ния (ТФОП), и все вызовы, связанные с передачей данных.

Устройство управления обеспечивает взаимодействие всех узлов базовой стан­ции. Оно, также обрабатывает вызовы, осуществляет аутентификацию вызываю­щих абонентов (проверку «свой-чужой»), ведение очередей вызовов и внесение записей в базы данных повременной оплаты. В некоторых системах управляющее устройство регулирует максимально допустимую продолжительность соединения с телефонной сетью.

 

12 Лекция. Сотовые системы связи

 

Цель лекции: изучить основные принципы построения сотовых систем связи.

Сотовая связь - это телефонная связь, рассчитанная на обслуживание подвижных або­нентов, предоставляющая все виды услуг обычной телефонной связи. Для передачи информации используется радиоканал, т.е. сотовая связь является радиотелефонной связью, «подвижная (или мобильная)».

Система сотовой связи может обеспечивать передачу как речи, так и других видов информации, в частности факсимильных сообщений и компьютерных данных. В части передачи речи, в свою очередь, может быть реализована обычная двусторонняя телефонная связь, многосторонняя теле­фонная связь (так называемая конференц-связь  с участием в разговоре более двух абонентов одновременно), голосовая почта. При организации обычного двустороннего телефонного разговора, начинающегося с вызова, возможны режимы автодозвона, ожида­ния вызова, переадресации вызова (условной или безусловной).

•   Система сотовой связи строится в виде совокупности ячеек, или сот, покрывающих обслуживаемую территорию.

•   В центре каждой ячейки находится базовая станция, обслуживающая все подвижные станции (абонентские радиотеле­фонные аппараты) в пределах своей ячейки. При перемещении абонента из одной ячейки в другую происходит передача его обслуживания от одной базовой станции к другой. Все базовые станции системы, в свою очередь, замыкаются на центр коммутации, с которого имеется выход во Взаимоувязанную сеть связи, если дело происходит в городе, выход в обычную городскую сеть проводной телефонной связи.

•   Используется принцип повторного использования частот, определяющий эффективное использование выделенного частотного диапазона и высокую емкость системы.

 

Рисунок 12.1 –  Ячейки (соты) системы,  Рисунок 12.2 – Одна ячейка с базовой

покрывающие всю обслуживаемую            станцией в центре, обслуживающей

территорию                                                        все подвижные станции в ячейке

 

Центр коммутации является мозговым центром и одновре­менно диспетчерским пунктом системы сотовой связи, на который замыкаются потоки информации со всех базовых станций. Это центральная автоматическая телефонная стан­ция системы сотовой связи, обеспечивающая все функции управления сетью. Она осуществляет непрерывное слежение за подвижными станциями, организует их эстафетную передачу, в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении подвижной станции из соты в соту и переключение рабочих кана­лов в соте при появлении помех или неисправностей, производит соединение по­движного абонента с тем, кто ему необходим в обычной телефонной сети общего пользования, и др. В состав центра коммутации входит несколько процессоров (контроллеров), и он является типичным примером многопроцессорной системы.

 

 

Во время набора номера сотовый телефон занимает один из свободных кана­лов, уровень сигнала базовой станции в котором в данный момент максимален. По мере удаления абонента от базовой станции или в связи с ухудшением условий распространения радиоволн, уровень сигнала уменьшается, что ведет к ухудшению качества связи. Улучшение качества разговора достигается путем автоматического переключения абонента на другой канал связи.

Рисунок 12.5 – Блок-схема подвижной станции (абонентского радиотелефонного аппарата)

 

Приемопередающий блок, в свою очередь, включает пере­датчик, приемник, синтезатор частот и логический блок.

Наиболее прост по составу антенный блок: он включает соб­ственно антенну - в простейшем случае четвертьволновой штырь - и коммутатор прием-передача. Последний для цифровой стан­ции может представлять собой электронный коммутатор, подклю­чающий антенну либо на выход передатчика, либо на вход прием­ника, поскольку, как будет ясно из дальнейшего, подвижная стан­ция цифровой системы никогда не работает на прием и передачу одновременно.

Функционально несложен и блок управления. Он включает микротелефонную трубку - микрофон и динамик, клавиатуру и дисплей. Клавиатура (наборное поле с цифровыми и функциональ­ными клавишами) служит для набора номера телефона вызывае­мого абонента, а также команд, определяющих режим работы под­вижной станции. Дисплей служит для отображения различной ин­формации, предусматриваемой устройством и режимом работы станции.

Три поколения систем сотовой связи:

-   первое поколение - аналоговые системы, уходящие в про­шлое;

-   второе поколение - цифровые системы сегодняшнего дня;

- третье поколение - универсальные системы мобильной связи недалекого будущего.

Цифровые системы сотовой связи представляют собой системы второго поколе­ния. По сравнению с аналоговыми системами они предоставляют абонентам бо­льший набор услуг и обеспечивают повышенное качество связи, а также взаимо­действие с цифровыми сетями с интеграцией служб и пакетной передачей данных.

Т а б л и ц а 12.1 Характеристики цифровых стандартов сотовых систем связи

 

13 Лекция. Спутниковые системы связи                                             

 

Цель лекции: изучить основные принципы построения спутниковых систем связи.

Системы космической связи аналогичны  работе радиорелейных линий,  в которой одно или несколько приемо-передающих устройств выносится в космос

.

 

С помощью ракеты-носителя на заданную орбиту вокруг Земли запускается искусственный спутник (ИСЗ), на борту которого размещается приемо-передающее оборудование, играющее роль радиоретранслятора. На Земле устанавливаются земные станции (ЗС) с параболическими антеннами и с опорно-поворотными устройствами для постоянного наведения  их на ИСЗ.

Назначения спутников:

- спутники радиосвязи и передачи данных;

- спутники теле- и радиовещания;

- навигационные спутники;

- погодные или метеорологические спутники;

- спутники для контроля над военными действиями;

- научные спутники для наблюдения Земли и околоземного космического пространства, других планет;

- спутники-шпионы ведут прослушивание радиопереговоров, контролируют работу на оборонных объектах;

- спутники защиты обнаруживают несанкционированные запуски ракет, взрывы ядерных бомб и т.п.

Состав систем спутниковой связи и вещания

•   Космический сегмент, состоящий из нескольких спутников-ретрансляторов.

•   Наземный сегмент, состоящий из центра управления системой, центра запуска КА, командно-измерительных станций, центра управления связью и шлюзовых станций.

•   Пользовательский (абонентский) сегмент, осуществляющий связь при помощи персональных спутниковых терминалов.

•   Наземные сети связи, с которыми через интерфейс связи сопрягают шлюзовые станции космической связи.

Классификация и основные показатели ССС

1. Тип используемых орбит

а) системы с космическими аппаратами (КА) на геостационарной орбите (GEO);

б) на негеостационарной орбите:

- низкоорбитальные (LEO);

-   средневысотные (MEO);

-    эллиптические (HEO).

2. Принадлежность системы к службе

- фиксированная спутниковая служба (ФСС);

-   подвижная спутниковая служба (ПСС);

-   радиовещательная спутниковая служба (РСС).

3. Статус системы (Обслуживаемая территория)

- международные (глобальные и региональные);

-   национальные (государственные);

-   ведомственные системы.

4. Автономность системы. Предпочтительными являются системы, не использующие для организации связи на обслуживаемых ими территориях других средств связи — наземных или спутниковых. Аренда внешних линий связи усложняет систему и удорожает эксплуатацию, а иногда и ухудшает качество связи.

5. Пропускная способность системы. Чем выше пропускная способность системы, тем большее количество абонентов она в состоянии обслужить и больше доход от ее эксплуатации.

6. Скорости передачи информации:

 - низкоскоростные (скорости передачи информации от 1,2 до 9,6 кбит/с, а также 16, 32 и 64 кбит/с, предназначаются для телефонных переговоров и передачи факсов, телеграмм и других дискретных сообщений);

- высокоскоростные (114, 384, 1024, 2048 кбит/с, предназначаются для организации видеоконференцсвязи, обмена данными между компьютерными сетями, доступа в различные базы данных, в Интернет и предоставления других услуг мультимедиа.

7. Связность системы. В многоспутниковых системах связи охват всей обслуживаемой территории осуществляется совокупностью зон радиовидимости отдельных КА, входящих в космическую группировку, вследствие чего возникает задача их объединения в единое целое, т. е. обеспечения связности системы. Связность может достигаться либо с помощью межспутниковых линий связи, связывающих каждый спутник группировки с соседними, либо при помощи наземных ретрансляторов, расположенных в расчетных зонах земной поверхности, либо комбинацией этих двух способов.

8. Качество связи. Определяется: скоростью передачи информации, энергетикой каналов, количеством ретрансляций между КА (при организации «многоскачковых» трасс), включением в интегральный канал связи звеньев с различным качеством (например, некоторых видов проводных междугородных линий связи), условиями радиовидимости КА и др.

 

Т а б ли ц а 13.1 - Диапазоны частот спутниковых систем связи

Сеть наземных станций, часть которых (ЗС2) — чисто приемные — входит только в систему вещания, часть (ЗС1 ЗС3) — приемопередающие — служат для передачи программ вещания и для организации междугородной телефонной связи.

 

Рисунок 13.1 – Структурная схема многофункциональной СС передачи информации и вещания

 

ЦФП - центра формирования программ

МТС - междугородная телефонная станция

ТФ, ТВ, РВ - стволы для передачи телефонных сигналов, телевизионных и радиовещательных программ

РТР - радио­телевизионные ретрансляторы

ТЦ - телецентры  

 

По способу ретрансляции сигнала спутниковые системы делят на:

•         системы с пассивной ретрансляцией;

•         системы с активной ретрансляцией.

•         При пассивной ретрансляции бортовой ретранслятор представляет собой надувную металлизированную сферу, от которой сигнал наземной станции отражается и поступает к приемной антенне корреспондента. Отсутствие бортовой аппаратуры существенно уменьшает стоимость линии связи, однако к наземной станции приходит только слабый отраженный сигнал.

•         При активной ретрансляции на борту спутника устанавливают приемо-передающую ретрансляционную станцию, обеспечивающую требуемый уровень сигнала.

•         При мощности бортового ретранслятора 10 Вт обеспечивается прием в полосе пропускания наземного приемника 20 МГц. Такая полоса достаточна для передачи сигналов многоканальной телефонии или телевидения. Таким образом, для магистральной телефонной связи и сети телевизионного вещания пригодны только активные спутники-ретрансляторы.

Фиксированная служба связи

•         ФСС предназначены для обеспечения связи между стационарными пользователями. Такие системы на базе терминалов типа VSAT используются в сетях электронной коммерции, обмена банковской информацией, оптовых баз, торговых складов и др.

•         Применяется оборудование персональной связи и интерактивного обмена информацией (в том числе через Internet).

•         Выделены диапазоны частот: C (4/6 ГГц), Ku (11/14 ГГц) и Ka (20/30 ГГц).

Подвижная служба связи

•         глобальная система мобильной радиотелефонной связи

•         обеспечивает работу с подвижными наземными станциями

•         первоначально была предназначена для создания ведомственных и корпоративных сетей связи с удаленными и подвижными объектами (судами, самолетами, автомобилями и т. д.), для организации связи в государственных структурах, в районах бедствия и при чрезвычайных ситуациях.

•         для систем ПСС выделены диапазоны частот до 1 ГГц, а также полосы частот в диапазонах L -1,5/1,6 ГГц и S - 1,9/2,2 и 2,4/ 2,5 ГГц.

Радиовещательная спутниковая служба

•         для приема телевизионных и радиовещательных программ и является главной службой систем непосредственного телевизионного вещания (НТВ), спутникового телевизионного вещания и спутникового непосредственного радиовещания.

•         строятся на базе спутников, размещаемых на геостационарной орбите.

•         основное требование к системе - сплошное покрытие обслуживаемых территорий, преимущества ССС перед другими средствами связи проявляются в наибольшей степени.

 

Орбиты спутниковых систем связи

•         Круговые - трудно реализуемые на практике и требующие частой коррекции с помощью бортовых корректирующих двигателей КА;

•         Близкие к круговым. Это наиболее распространенный тип орбит в системах спутниковой связи. На таких орбитах высоты апогея и перигея различаются всего на несколько десятков километров;

•         Эллиптические. Высоты hа (апогея) и hп (перигея) могут значительно различаться (например, hа= 38000 - 40000 км, hп= 400 - 500 км). Данные орбиты также широко применяются в системах спутниковой радиосвязи.

 

 

 

 

 

1 – круговая, 2 – эллиптическая, 3 – гиперболическая, 4- геостационарная, 5 - экваториальная плоскость. i – наклонение орбиты.

Рисунок 13.2 – Основные виды орбит спутниковых систем связи

 

•         Параболические и гиперболические орбиты применяются, как правило, при изучении планет Солнечной системы.

 

Т а б л и ц а 13.2 - Характеристики систем, использующих космические аппараты на различных орбитах

Показатель	GEO	MEO	LEO
Высота орбиты, км	36 000	5 000 -20 000	700 - 1 500
Количество КА в ОГ	3	8-12	48-66
Зона покрытия одного КА (угол радиовидимости 5о), % от поверхности Земли	34	25 ¸ 28	3 ¸ 7
Время пребывания КА в зоне радиовидимости (в сутки)	24 ч	1,5 ¸ 2 ч	10 ¸15 мин
Задержка при передаче речи, мс: Региональная связь Глобальная связь	500 600	80 ¸ 130 250 ¸ 400	20 ¸ 70 170 ¸ 300
Время переключения, мин: с одного спутника на другой с одного луча на другой	Не требуется 10 ¸ 15	50 5 ¸ 6	8-10 1,5 ¸ 2,0
Относительный максимальный доплеровский сдвиг	10-8	6× 10-6	(1,8¸2,4)× 10-5
Угол радиовидимости КА на границе зоны обслуживания, о	5	15 ¸ 25	10 ¸ 15

14 Лекция. Наземный сегмент

 

Цель лекции: Ознакомиться с основными принципами построения наземных станций спутниковых систем связи.

Центр управления системой осуществляет слежение за КА, расчет их координат, сверку и коррекцию времени, диагностику работоспособности бортовой аппаратуры, передачу служебной (командной) информации и т. д. Указанные функции управления выполняются на основе телеметрической (ТЛМ) информации, поступающей от каждого КА орбитальной группировки. Для управления космической группировкой в различных режимах работы КА используют штатные каналы связи (с учетом перекрестной спутниковой связи) и отдельные, территориально разнесенные командно-измерительные станции.

Благодаря этому центр управления системой позволяет обеспечить с достаточно высокой оперативностью:

·  Контроль запуска и точность вывода КА на заданную орбиту.

·  Контроль состояния каждого КА.

·  Контроль и управление орбитой отдельного КА.

·  Контроль и управление КА в нештатных режимах работы.

·  Вывод КА из состава орбитальной группировки.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 14.1 - Центр управления

космическим сегментом Сан - Хосе,                                Старт ракеты-носителя

Калифорния, США

 

Управление космической группировкой осуществляется специалистами группы управления и анализа. Передачу служебной информации на КА осуществляют через территориально-разнесенные основные и резервные станции командно-измерительной системы.

Центр запуска КА определяет программу запуска, осуществляет сборку ракеты-носителя, ее проверку, а также установку полезной нагрузки (КА) и проведение предстартовых проверок и испытаний.

После запуска ракеты-носителя производят траекторные измерения на активном участке полета, которые транслируются в центр управления системой, где для формирования промежуточной орбиты корректируются расчетные траекторные данные. Последующее управление КА осуществляется центром управления системой при помощи командно-измерительных станций по следующей программе:                                                    

-          разворачиваются солнечные батареи КА;

-          производится кратковременное включение корректирующих двигателей для перевода КА на основную орбиту;

-          снимается телеметрическая информация для контроля состояния бортового оборудования КА.

Центр управления связью планирует использование ресурса спутника, координируя эту операцию с центром управления системой. Центр управления связью осуществляет через национальные шлюзовые станции анализ и контроль связи, а также управление.

В штатных условиях работы орбитальной спутниковой группировки связь со шлюзовыми станциями и пользовательскими терминалами осуществляется автономно. В нештатных ситуациях (в случае вывода отдельного КА из группировки или при выходе из строя элементов шлюзовой станции) центр управления связью переходит в режим поддержания связи с повышенной нагрузкой, а в особых случаях предусматривается также возможность реконфигурирования сети.

Шлюзовая станция (шлюз) состоит из нескольких приемопередающих комплексов (обычно не менее трех), в каждом из которых имеется следящая параболическая антенна.

Применение нескольких приемопередающих комплексов позволяет практически без нарушения связи переходить последовательно от одного КА к другому. Приемопередающие комплексы функционируют следующим образом:

-    1-й  комплекс вступает в связь с i-м КА ;

-    2-й комплекс вступает в связь с i +1 -м КА;

-    затем 1-й комплекс, после ухода из зоны видимости 1-го КА, вступает в связь с i+ 2-м КА;

-    2-й комплекс, после ухода из зоны i + 1-го КА, вступает в связь с i+ 3-м КА и т. д.;

-    3-й комплекс, как правило, находится в резерве и при необходимости может заменить 1-й или 2-й комплекс.

Для управления большим потоком информации в состав шлюзовой станции включены быстродействующие ЭВМ, в которых имеется банк данных персональных терминалов. Шлюзовые станции в своем составе имеют коммутационное оборудование (интерфейсы связи) для соединения с различными наземными системами связи. Основной задачей любой шлюзовой станции является организация дуплексной телефонной связи, передача факсимильных сообщений, а также данных больших объемов.

 

Космический сегмент и бортовые ретрансляторы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 14.2 - Общая структурная схема КА

 

В состав космического сегмента входит несколько спутников-ретрансляторов, которые образуют космическую группировку. Спутники-ретрансляторы, как правило, размещаются равномерно на определенных орбитах.

Спутниковые ретрансляторы

Именно ретранслятор «отвечает» за энергетические характеристики каналов связи. Первый вопрос, который возникает на начальной стадии проектирования спутниковой системы связи (ССС), связан с оптимальным распределением ее ресурсов между ретранслятором и наземными станциями. В данном контексте ресурсы системы - это энергетический запас радиолиний (или их пропускная способность) и "интеллектуальные" возможности ретранслятора.

Чем большую энерговооруженность имеет "борт" (как специалисты чаще всего называют спутник), т.е. чем выше эквивалентная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ) спутниковых приемопередатчиков, тем более простое абонентское оборудование необходимо применять на Земле для приема сигнала.

Под "интеллектуальностью" обычно подразумевают вычислительные возможности бортового комплекса, оцениваемые по той доле функций наземных станций, которые способен выполнить ретранслятор.

Структура бортового ретрансляционного комплекса (БРТК) определяется:

- его назначением, или масштабностью охвата территорий (глобальная либо региональная связь);

- методом обработки информации на борту КА;

- количеством ретрансляционных каналов (приемных, передающих или приемопередающих);

- скоростью информационного обмена;

- выбранными техническими решениями и используемыми технологиями.

В состав БРТК могут входить не только так называемые абонентские ретрансляторы (предназначенные для формирования «потребительских» лучей), но и ретрансляторы фидерных и/или межспутниковых линий (служебная связь).

Типы ретрансляторов. По своему назначению и выполняемым функциям все ретрансляционные комплексы подразделяются на три типа: прозрачные, регенеративные и комбинированные.

Прозрачные ретрансляторы (bent pipe) обеспечивают прием и преобразование входных сигналов без их обработки на борту. Но существуют ретрансляторы, тоже называемые прозрачными, которые имеют в своем составе один или несколько канальных процессоров или высокочастотную полнодоступную матрицу для коммутации каналов. Поэтому в настоящее время уже трудно провести резкую границу между прозрачным и регенеративным типами ретрансляторов.

Принцип действия регенеративных ретрансляторов, которые определяются как ретрансляторы с обработкой сигналов на борту (OBP, On Board Processing), основан на ремодуляции, т.е. приеме сигналов на одной частоте, их демодуляции и повторной модуляции на новой несущей частоте. Использование таких ретрансляторов позволяет одновременно обслуживать большое количество терминалов, обеспечивая большую гибкость формирования каналов и оперативное соединение терминалов с применением разнообразных протоколов. В комбинированных ретрансляторах может выполняться обработка только определенных сигналов (какой-то части всех каналов), например, соответствующих заданной несущей частоте.

Главным достоинством прозрачных ретрансляторов является простота аппаратной реализации, поскольку в них осуществляется только групповое преобразование сигнала на промежуточной частоте без демодуляции и фильтрации каналов. Однако им присущ и ряд недостатков. При работе нескольких наземных станций в широкой полосе частот неизбежно возникают нелинейные эффекты, приводящие к подавлению более слабого сигнала сильным, а также интермодуляционные помехи из-за преобразования паразитной амплитудной модуляции в фазовую и др.

Чтобы в какой-то мере избежать этих эффектов, в прозрачных ретрансляторах используются передатчики, работающие в квазилинейном режиме. Иногда и этих мер оказывается недостаточно, поскольку при появлении в рабочей полосе даже одного сильного «мешающего» сигнала возможен отказ ретрансляционного ствола в целом.

Но выход из положения есть, и он заключается в разделении всей полосы ствола на ряд парциальных каналов. Этот метод, получивший название «один канал на несущую» (SCPC, Single Cannal Per Carrier), в настоящее время широко применяется в сетях VSAT, поскольку он позволяет оперативно перераспределять трафик между наземными станциями.

Несмотря на перечисленные недостатки ретрансляторов типа bent pipe, они не потеряли своей значимости и по-прежнему используются в современных системах связи с КА не только на геостационарной, но и на других орбитах. Причина очевидна - простота их реализации.

Новым техническим решением при создании прозрачных ретрансляторов с SCPC является применение в них высокочастотной коммутируемой матрицы, выполненной на базе СВЧ интегральных схем и переключателей на PIN-диодах, обеспечивающих малую потерю мощности. Управление работой такого коммутатора осуществляется с помощью бортового процессора, а резервирование - за счет введения дополнительных рядов и столбцов матрицы.

Комбинированные. В ретрансляторе с одним канальным процессором принятый сигнал разделяется на выходе приемника на N каналов, в каждом из которых осуществляется прозрачное преобразование сигналов. Отличие такого БРТК от «абсолютно» прозрачного ретранслятора заключается в том, что в нескольких или одном канале устанавливается канальный процессор. Одно из преимуществ данного решения - простота модернизации существующего прозрачного ретранслятора до комбинированного, поскольку каналы с обработкой сигналов «вставляются» в обычный ретрансляционный ствол. Кроме того, возможно применение каналов с различными скоростями передачи, разными алгоритмами кодирования и т.п. Указанный тип ретрансляторов будет реализован, например, в системах ACeS и ICO.

Регенеративные.  Ретрансляторы с пакетной коммутацией. Высокая эффективность передачи сигналов в системах спутниковой мобильной связи достигается при использовании в БРТК коммутаторов, которые чаще всего реализуются на базе технологии ATM или IP. Выбор конкретного протокола зависит от архитектуры системы и типа орбитальной группировки. Так, ATM-коммутатор больше всего подходит для сетей с топологией «звезда», использующих КА на геостационарной или низких орбитах (система SkyBridge).

Важное преимущество пакетной обработки - возможность использования асимметричных каналов на линиях «вверх» и «вниз», т.е. поддержка интерактивного режима.

Наиболее сложным является ретранслятор с пакетной обработкой информации на борту и с маршрутизацией. Такие типы ретрансляторов применяются в системах с межспутниковыми линиями связи и узловой топологией, построенных на основе КА типа bigLEO (Iridium) или megaLEO (Teledesic). В них динамическое перераспределение каналов (маршрутизация) осуществляется непосредственно в ретрансляторе и базируется на протоколе IP (Iridium).

Ретрансляторы с обработкой информации в нереальном времени. В спутниковых системах с КА типа littleLEO для удаленных пользователей, оказавшихся вне зон обслуживания региональных станций (например, на борту морского судна), предусматривается возможность связи с другими абонентами системы через космический «почтовый ящик».

Связь в режиме электронного "почтового ящика" организуется следующим образом. Абонент может передать свое сообщение, когда в зоне радиовидимости появляется хотя бы один КА. Спутник примет это сообщение и запишет его в бортовое ЗУ («почтовый ящик»). Информация будет отправлена получателю, как только данный КА достигнет его региона. Транспортные протоколы обеспечивают сборку пакетов, принадлежащих одному сообщению в абонентском терминале независимо от маршрута их доставки и числа, задействованных при транспортировке этих пакетов КА и наземных станций сопряжения.

 

15 Лекция. Основы телевидения

 

Цель лекции: изучить структурную схему и принципы работы телевизионных систем.

Под телевидением следует понимать передачу и прием подвижных и неподвижных изображе­ний с помощью средств электросвязи как в реальном, так и в из­мененном масштабе времени.

Оконечным уст­ройством, воспринимающим телевизион­ное изображение, в большинстве случаев, является зрительная система. Для рацио­нального построения телевизионных сис­тем необходимо учитывать свойства и ха­рактеристики зрения. Зрительная систе­ма состоит из приемника светового ощу­щения — глаза, нервных волокон, пре­образующих и передающих зрительную информацию к коре головного мозга, к тем ее участкам, в которых происходит расшифровка информации и формирова­ние зрительного образа.

К основным характеристикам зрения относятся: разрешающая способ­ность, инерционность, контрастная чувст­вительность и восприятие цвета.

Из спектра электро­магнитных колебаний, существующих в природе, только узкий участок волн с длиной 380. . .770 нм является видимым. Воздействие на глаз волн разных длин вызывает ощущение разных цветов от фиолетового до красного, причем восприимчивость глаза к разным цветам спектра различна. При одинаковой мощности светового из­лучения глаз наиболее чувствителен к желто-зеленому цвету. В сторону красного и фиолетового цве­тов чувствительность глаза понижается и доходит до нуля на границах видимой части спектра.

Инерционность — это способ­ность глаза сохранять зрительное ощу­щение в течение некоторого времени после прекращения его воздействия.

Передача изображений в телевидении осуществляется электрическим спосо­бом, т.е. оптическое изображение преоб­разуется в электрический сигнал, пере­даваемый по каналу связи, который за­тем в месте приема вновь преобразуется в оптическое изображение. В идеальном случае полученное телевизионное изобра­жение должно в точности соответство­вать оригиналу, однако, при этом теле­визионная система должна быть способ­на передать бесконечно большой объем информации.

В современном телевидении применяется метод поочередной передачи сигналов от элементов изображения. При этом методе изображе­ние передаваемой сцены проектируется на панель, состоящую из n светочувствительных элементов, преобразующих световую энер­гию в электрические сигналы, пропорциональные этой энергии. В этом случае между передатчиком и приемником используется только один канал связи, по которому с помощью коммутатора передаются сигналы от всех светочувствительных элементов по­очередно. В приемнике с помощью аналогичного коммутатора при­нимаемые сигналы поочередно возбуждают элементы экрана, пре­образующие сигнал в световую вспышку. При достаточной скоро­сти коммутации, благодаря памяти зрительного аппарата, на­блюдатель видит на экране изображение в целом, а не отдельные вспышки его элементов.

Разложение изображения на строки, поля и кадры. Телевизи­онное изображение, образованное однократной поочередной пере­дачей всех его элементов, называется кадром. В телевидении ши­роко применяется метод разложения изображения на строки, вдоль которых расположены поочередно передаваемые элементы изображения. Таким образом, кадр состоит из совокупности всех однократно передаваемых поочередно строк изображения.

Для получения телевизионного сигнала, передаваемого в при­емник, применяется электронный преобразователь света в сигнал, например, передающая телевизионная трубка. Оптическое изобра­жение передаваемой сцены фокусируется с помощью объектива на светочувствительной панели (мишени) такой трубки (воздух из трубки откачан). Трубка имеет электронный прожектор, который вырабатывает электронный луч. Этот луч движется (сканирует) по мишени одновременно в двух направлениях — с большой ско­ростью по строкам и гораздо медленнее перпендикулярно к ним, для того чтобы передать поочередно за время одного кадра сигна­лы от всех строк (т. е. от всех элементов изображения, находя­щихся на строках). Совокупность строк, описанных электронным лучом, называется растром.

Объектив 2 проектирует изображение передаваемой сцены 1 через переднее стекло 3 на свето­чувствительный слой 5, являющийся мишенью. Этот слой нанесен на сигнальную пластину 4 (прозрачная для света металлическая пленка, нанесенная на внутреннюю сторону стеклянного диска 3). Электронный прожектор 7 создает электронный луч 6, для фоку­сировки которого на мишени 5 применяется регулируемое магнит­ное поле, создаваемое фокусирующей катушкой (ФК). Движение электронного луча по мишени по строкам и перпендикулярно к ним (т. е. образование растра) производится с помощью перемен­ных магнитных полей, создаваемых катушками отклоняющей си­стемы (ОС).

Рисунок 15.1 - Схемы устройств:

а — передающей    телевизионной трубки;  б — приемной телевизионной трубки   (ки­нескопа)

 

Под действием света изменяется электрическое со­стояние элементов мишени, и на них возникают электрические за­ряды, пропорциональные освещенности этих элементов. Электрон­ный луч, касаясь элементов, производит их коммутацию и приво­дит их потенциалы к первоначальным (т. е. к потенциалам, кото­рые были при отсутствии освещения). В результате коммутации возникает ток сигнала iС, создающий на сопротивлении нагрузки Rн напряжение сигнала ис, называемое телевизионным сигналом (или кратко видеосигналом). Этот сигнал представляет собой бы­стрые короткие импульсы, и поэтому его спектр является широко­полосным (от 0 до 6 МГц в современном телевизионном вещании). В предварительном видеоусилителе (ПВУ) производится усиление сигнала и коррекция его спектра с целью компенсации затухания высокочастотных составляющих. В генераторах строчной и кадро­вой разверток (ГСР) и (ГКР) создаются токи необходимой фор­мы для питания отклоняющей системы (ОС).

В приемнике (телевизоре) применяется преобразователь сиг­нала в свет, на экране которого образуется телевизионное изобра­жение передаваемой сцены. При диагонали экрана менее 1 м та­кой преобразователь обычно представляет собой электронно-луче­вую трубку, называемую кинескопом. На рисунке 8.1б показаны ос­новные элементы кинескопа для черно-белого телевидения. Здесь в стеклянной колбе 1 помещен электронный прожектор 2, создаю­щий электронный луч 3 (в колбе высокий вакуум), который фоку­сируется на экране 6 электрическим полем прожектора. Луч опи­сывает на экране растр синхронно и синфазно с растром в пере­дающей трубке (т. е. в тот момент, когда в передающей трубке образуется сигнал от элемента номер т,в кинескопе должно про­исходить возбуждение свечения элемента тоже номер т; при этом отсчет номера элемента ведется от начала первой строки). Электронный луч описывает растр на экране под действием маг­нитных полей отклоняющей системы 4 (ОС). Экран, на котором создается изображение, сделан из слоя люминофора 6, нанесен­ного изнутри колбы на ее переднее стекло 7. На слой люминофора со стороны прожектора наложен тонкий слой алюминия 5, про­зрачный для электронов луча. Между слоем 5 и прожектором при­ложено (к выводу 8) высокое напряжение, ускоряющее электро­ны луча. Свечение люминофора происходит в результате бомбар­дировки его атомов быстрыми электронами луча.

Для телевизионного вещания принят чересстрочный метод об­разования строк растра, называемый разверткой растра. На рисунке 15.2а показано образование растра из пяти строк при прогрессивной развертке.

Рисунок 15.2 - Образование   растра   при   прогрессивной чересстрочной (б) развертках

 

Движение электронного луча из точки а в точку б строки 1 называется прямым ходом по строке (по горизонтали), движение из точки б в точку в называется обратным ходом по строке. Длительность обратного хода гораздо меньше длительно­сти прямого. Движение электронного луча от точки а к точке г на строке 5 называется прямым ходом по кадрам (по вертикали). Из точки г строки 5 луч движется в точку а строки /, совершая кадровый обратный ход (по вертикали). В случае прогрессивной развертки все строки растра развертываются за время одного кад­ра. На рис. 8.26 показано образование растра из семи строк при чересстрочной развертке.

 

 

1 - объектив; 2 - оптико-электронный преобразователь; 3 - развертывающее

устройство; 4 - синхрогенерагор; 5 - усилитель; 6 - передающее устройство;

7 - канал связи; 8 - приемное устройство; 9 - видеоусилитель;

10 - преобразователь сигнал-свет; 11 - селектор импульсов синхронизации;

12 - развертывающее устройство

Рисунок 15.3 - Структурная схема телевизионной системы

16 Лекция. Электромагнитная совместимость

 

Цель лекции: ознакомиться с возможными каналами проникновения помех в радиоаппаратуру,  проблемой электромагнитной совместимости и методами ее решения.

Каждому человеку приходилось сталкиваться в жизни со случаями, когда, например, во время просмотра телепрограммы начинают прослушиваться звуки электробритвы, пылесоса или чей-то телефонный разговор. В этих случаях одно радиоизлучающее средство начинает мешать функционированию другого. Таким образом, под электромагнитной совместимостью (ЭМС) понимают способность радиоэлектронных средств одновременно функционировать в реальных условиях эксплуатации с требуемым качеством при воздействии на них непреднамеренных помех и не создавать недопустимых радиопомех другим радиоэлектронным средствам. Под радиоизлучающими средствами в данном случае подразумеваются не только передающие устройства, специально спроектированные для излучения радиосигналов. Такими средствами могут быть любые изделия, при функционировании которых генерируются радиоволны. А они генерируются везде, где может протекать переменный электрический ток. Источниками радиоволн могут быть электродвигатели и электролампы (особенно лампы дневного света), внутренние генераторы радиоприемников (гетеродины) и СВЧ-печи, компьютеры и сварочные аппараты. Все эти изделия являются источниками помех для радиоприемных устройств. Так как в большинстве случаев генерация этих излучений не является основной задачей данной техники, то эти излучения называют побочными электромагнитными излучениями (ПЭМИ).

Появление дополнительных помех приводит к ухудшению соотношения сигнал/(шум+помеха) на входе радиоприемных устройств и, соответственно, к снижению пропускной способности каналов радиосвязи. В связи с этим, все радиоэлектронные устройства должны проходить обязательные сертификационные испытания на ЭМС, во время которых производится проверка соответствия уровня генерируемых радиосигналов требованиям норм. В настоящее время в Казахстане при проведении сертификационных испытаний изделий информационной техники используются нормы излучений в соответствии с ГОСТ 29216-91. По этому ГОСТу контроль уровня излучений осуществляется до частоты 1000 МГц. На настоящий момент эти требования уже можно признать устаревшими, так как рабочие частоты аппаратуры связи и средств вычислительной техники перешагнули этот рубеж. На Украине, например, при сертификационных испытаниях на ПЭМИ контролируются излучения вплоть до 18 ГГц.

Источником излучения в приборе является не обязательно антенна. Ее может вообще не быть. В качестве антенны может служить любой провод (в том числе и провод электропитания), выходящий за пределы корпуса. Может являться антенной и любое отверстие в корпусе, являясь своеобразной «щелевой» антенной.

Аналогичная ситуация наблюдается и в приемных устройствах. Любой провод или отверстие в корпусе может являться приемником электромагнитных волн, которые, преобразовавшись в электрические сигналы, могут попасть внутрь изделия и нарушить нормальную работу изделия. Такие сигналы называют наводками, и, говоря об электромагнитной совместимости, часто используют аббревиатуру ПЭМИН (побочные электромагнитные излучения и наводки).

На практике различают четыре канала прохождения помех в аппаратуру, показанные на рисунке 16.1.

Помехи, попадающие внутрь аппаратуры, взаимодействуя с электрическими сигналами, циркулирующими в ней, могут не только ухудшить работу изделия, но и полностью блокировать его работу. Преднамеренная генерация электромагнитных сигналов, способных нарушить нормальную работу радиоэлектронного оборудования вплоть до вывода его из строя называют радиоэлектронной борьбой.

При планировании систем связи в обязательном порядке надо учитывать не только вопросы ЭМС, то есть устойчивость системы к непреднамеренным помехам, а также возможность применения методов радиоэлектронной борьбы против систем связи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 16.1 - Каналы проникновения помех в радиоаппаратуру

 

Имеется ввиду устойчивость систем к преднамеренным помехам, так как связь является частью инфраструктуры управления любого государства, и, следовательно, одним из наиболее привлекательных объектов воздействия при вооруженных конфликтах.

 

Список литературы 

1. Романюк В.А. Основы радиосвязи. - М.: ЮРАЙТ, 2009. - 288 с.

2. Мамчев Г.В. Основы радиосвязи и телевидение. - М.: Горячая линия-Телеком, 2007 – 409 с.

3. Дьяков В.П. и др. Электронные средства связи. Серия «Библиотека инженера» - М.: СОЛОН-Пресс, 2005. - 432с.

4. Головин О.В. и др. Радиосвязь. - М.: Горячая линия-Телеком, 2001 – 288 с.

5. Справочник по спутниковой связи и вещанию/Под ред. ЛЯ Кантора. – М.: Радио и связь, 2007. – 288 с.

6. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. - М.: Эко-трендз, 1997.