ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ ПО КУРСУ «ФОРМИРОВАНИЕ И ГЕНЕРИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ В ЦИФРОВОЙ РАДИОСВЯЗИ» 1.Генератор с внешним возбуждением (ГВВ) как усилитель мощности (УМ) и умножитель частоты (УЧ) радиоколебаний. 2.Структурная схема и баланс мощностей в ГВВ. Основные элементы и параметры УМ. Активные элементы (АЭ) в усилителях мощности 3.Общие сведения о характеристиках УМ. Реализация режима работы АЭ в УМ с гармоническим выходным напряжением и отсечкой выходного тока. 4.Ключевые режимы с выходным током и напряжением в форме меандра. Расчет ключевых режимов с колебаниями в форме меандра. 5.Способы суммирования мощностей сигналов при построении мощных УМ, их достоинства и недостатки. Мостовые усилители мощности. 6.Суммирование мощностей сигналов в пространстве. 7.Общие сведения об транзисторных и диодных автогенераторах. Стационарный режим работы автогенератора. 8.Теоретические подходы к возбуждению колебаний. Схемы одноконтурных автогенераторов. 9.Основные характеристики синтезаторов частоты. Метод прямого синтеза частот. 10.Цифровые синтезаторы частоты. 11.Представление цифровых сигналов во временной и частотной областях. 12.Ограничения полосы частот цифрового сигнала и межсимвольная интерференция. 13.Общие представления фазоманипулированного сигнала. Бинарная фазовая манипуляция. 14.Дифференциальная бинарная и квадратурная фазовая манипуляция. 15.Понятие о векторной диаграмме («созвездии») радиосигнала при многоуровневых и многопозиционных видах манипуляции. 16. Частотно-манипулированные радиосигналы с разрывной и непрерывной фазой. 17. Спектрально-эффективная частотная манипуляция. 18.Манипулятор частотно-манипулированных радиосигналов с непрерывной фазой. 19.Методы формирования радиосигналов с расширенным спектром. 20.Использование в системах радиосвязи сверхширокополосных радиосигналов.   21. Формирование многомерных радиосигналов.

22.Многоконтурные автогенераторы. Двухконтурные автогенераторы на полевом транзисторе.

23.Синхронизация автогенераторов внешним сигналом.

24.Преимущества цифровой технологии.

25.Классификация  радиопередатчиков систем и сетей цифровых коммуникаций.

26.Методы многостанционного доступа.

27.Организация работы систем сотовой связи. Структурные схемы передатчиков мобильной и базовой станций.

28.Общие сведения о системной модели стандарта ТЕТРА.

29.Особенности построения структурных схем базовых и мобильных передатчиков транкинговой системы  «тетра».

30.Радиоудлинители.

  31.Особенности передачи сигналов в спутниковых системах связи.

32.Краткая характеристика передающих устройств в спутниковых системах связи: «Орбита», «Экран», «Москва», «Ямал».        

33.Перспективы развития теории и практики передатчиков цифровой радиосвязи

Литература

1. Ворона, В. А. Радиопередающие устройства. Основы теории и расчета : учеб. пособие для вузов. / В. А. Ворона. - М. : Горячая линия-Телеком, 2007. - 384 с.

2. Галкин, В.А. Цифровая мобильная радиосвязь : учеб. пособие для вузов. /В. А. Галкин. – М. : Горячая линия-Телеком, 2007. - 432 с.

3. Устройства генерирования и формирования радиосигналов / Л. А. Белов, В. А. Богачев, М. В. Благовещенский и др. Под ред. Г. М. Уткина, В. Н. Кулешова, М. В. Благовещенского. М.: Радио и связь, 1994.

4. Проектирование радиопередатчиков / В. В. Шахгильдян, В. А. Власов, Б. Е. Козырев и др.: Под ред. В. В. Шахгильдяна. – М. : Радио и связь, 2000.

5. Феер, К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра. Пер. с англ. /Под ред. В. И. Журавлева. – М. : Радио и связь, 2000. –520с.

7. Радиопередающие устройства. Учебник для ВУЗов/Под ред. В.В.Шахгильдяна. –М.: Радио и связь, 2003. –560 с.

8. Проектирование радиопередатчиков. Учебное пособие для вузов / Под ред В.В.Шахгильдяна. – М.: Радио и связь, 2003. – 656 с.

9. Дегтярь Г.А. Устройства генерирования и формирования сигналов. – Новосибирск, издательство НГТУ, 2007. – 900 с.

10. Першин, В.Т. Основы радиоэлектроники, Минск, Выш. шк. 2006. -–400 с.

11. Першин, В.Т. Основы радиоэлектроники и схемотехники / В. Т. Першин. – Ростов н/Д: Феникс, 2006. – 544 с.

12. Першин, В.Т. Основы современной радиоэлектроники: учебное пособие для студентов вузов / В.Т.Першин. – Ростов н/Д: Феникс, 2009. – 541 с.

13. Анкуда С.Н., Першин В.Т., Шпак И.И. Радиоэлектронные устройства и комплексы. Минск, МГВРК, 2012, −560 с.

14. Першин В. Т. Формирование и генерирование сигналов в цифровой радиосвязи. М:, ИНФРА-М, 2013 – 614 с. : (Высшее образование: Бакалавриат).

Генератор с внешним возбуждением (ГВВ) как усилитель мощности (УМ) и умножитель частоты (УЧ) радиоколебаний

Как правило, маломощные усилители применяются в промежуточных каскадах передатчиков. Транзистор в них целесообразно включать по схеме с общим эмиттером, так как такая схема включения имеет отрицательную обратную связь через емкость коллекторного перехода, которая стабилизирует работу каскада и повышает его устойчивость. Коэффициент усиления мощности такого усилителя достаточно высок и может достигать нескольких десятков.

Схема маломощного транзисторного усилителя приведена на рис 1.3. Входная цепь согласования С1, С2, L1 обеспечивает возбуждение усилителя напряжением, изменяющимся по гармоническому закону. Блокировочные элементы С_бл1 и L_бл1, С_бл2 и L_бл2 представляют собой фильтры в цепях смещения и коллекторного питания соответственно. Делитель R1 – R2 служит для подачи положительного смещения на базу транзистора. Сопротивление R_э используется для повышения устойчивости работы усилителя, подбором которого корректируется коэффициент усиления мощности. В реальных схемах R_Э может быть равно нулю. Выходная цепь С3, С4, L2 осуществляет согласование выходного сопротивления транзистора с сопротивлением нагрузки. Кроме того, эта цепь подавляет продукты нелинейного усиления.

Для обеспечения лучшей устойчивости работы усилителя транзистор целесообразно включать по схеме с общей базой, так как емкость перехода коллектор-эмиттер меньше емкостей других переходов транзистора, что приводит к уменьшению обратной связи по сравнению о схемой, собранной на транзисторе с общим эмиттером. На рис. 1.4 приведена схема мощного транзисторного усилителя с транзистором включенным по схеме с общей базой. Назначение всех элементов аналогично их назначению в предыдущей схеме. Напряжение смещения в мощных каскадах устанавливается равным нулю, чтобы достичь максимального значения выходной полезной мощности, коэффициента усиления по мощности, высокого КПД при угле отсечки θ ≈ 90⁰. полезная мощность, развиваемая таким каскадом, превышает 1 Вт.

Процесс умножения частоты сигнала, поступающего на вход ГВВ, использует нелинейность сквозной динамической характеристики транзистора, приводящей к отсечке коллекторного тока. Маломощные умножители работают в диапазоне до 100 МГц, когда еще можно не учитывать индуктивности выводов транзистора, потери в материале транзистора. При этом обеспечивается выходная мощность до 0,1 Вт при удвоении частоты и до 0,01 Вт – при утроении. КПД их не превышает 30 – 40%. Используют умножители частоты в основном в промежуточных каскадах передатчиков для одновременного усиления сигнала и увеличения его частоты.

Схема маломощного умножителя частоты аналогична схеме усилительного каскада. Различия сводятся к выбору параметров делителя R1 – R2, задающего требуемый угол отсечки тока, и реактивных элементов выходной цепи для выделения второй или третьей гармоники.

Схема мощного умножителя частоты приведена на рис. 1.5. Элементы входной цепи С1, L1, С2 обеспечивают возбуждение транзистора гармоническим током, R_э – сопротивление автоматического смещения. Цепь на выходе умножителя, состоящая из элементов С3, С4, L2, L3, обеспечивает трансформацию выходного сопротивления транзистора (обычно сотни Ом) в относительно низкоомное сопротивление нагрузки, а также возбуждение следующего каскада гармоническим током.

Транзистор в этом умножителе частоты включен по схеме с общей базой, так как в этом случае достигаются более высокие энергетические показатели по сравнению со схемой включения транзистора по схеме с общим эмиттером. Кроме того, при возбуждении транзистора гармоническим током паразитная обратная связь через емкость коллекторного перехода отсутствует и не происходит уменьшения коэффициента формы импульсов выходного тока. Мощные умножители частоты позволяют достичь величин выходной мощности до 2 Вт при удвоении частоты и до 0,1 Вт – при утроении. КПД их невелик и не превышает 20 – 30 %.

Структурная схема и баланс мощностей в ГВВ

Режимы работы АЭ в ГВВ, структурная схема которого приведена на рис. 1.1, принято делить на режимы колебаний I-го и II-го рода.

Если исходное положение рабочей точки на сквозной динамической характеристике АЭ находится на середине ее линейного участка, то имеем режим колебаний I-го рода.

В этом случае полезная мощность

P₁ = 0,5I_k1U_k,

где I_k1 – амплитуда первой гармоники коллекторного ток, а U_k – амплитуда напряжения на коллекторе. Мощность, потребляемая от источника коллекторного питания E_k

P₀ = E_kI_k0,

где I_k0 – постоянная составляющая коллекторного тока.

КПД η выходной цепи ГВВ для режима колебаний I-го рода

η = Р₁/Р₀ = 0,5 I_k1U_k/ E_kI_k0.

Последнее выражение позволяет оценить максимально возможную величину КПД для режима работы АЭ, соответствующего колебаниям I-го рода

η_max = 0,5I_k1maxU_kmax/E_kI_k0.

Так как в этом случае I_kmax = I_k0, U_kmax = E_k, то η_max = 0,5. В реальных каскадах η_max еще меньше и, как правило, не превышает 0,4. Поэтому режим колебаний I-го рода практически не используется в передатчиках из-за низкой энергетической эффективности.

Режимы работы АЭ, при которых ток в выходной цепи протекает только часть периода входного гармонического колебания, объединяются в режим колебаний II-го рода. Для реализации такого режима исходное положение рабочей точки выбирают в нижней части сквозной характеристики АЭ (рис. 1.6).

Таким образом, при колебаниях II-го рода выходной ток АЭ приобретает форму периодической последовательности импульсов, длительность и амплитуда которых зависит от величины напряжения смещения Е_см по отношению к напряжению отсечки Е_отс коллекторного тока. Эти импульсы называют косинусоидальными, и они характеризуются двумя параметрами: амплитудой I_kmax и углом отсечки θ. Когда при увеличении амплитуды входного напряжения АЭ переходит в режим насыщения, вершина косинусоидального импульса уплощается, т.е. срезается. Режим работы АЭ в этом случае называется ключевым.

Как видно из рис. 1.2, токи и напряжения, действующие в схеме ГВВ, в котором АЭ включен по схеме с общим эмиттером, удовлетворяют соотношению

E_k = u_k(t) + u_н(t),

где u_k(t) – напряжение на коллекторе, u_н(t) – напряжение на нагрузке. Соответственно потребляемая мощность

Р₀ = P_kрас + ΣP_i,

где P_kрас – мощность, рассеиваемая на транзисторе, ΣP_i – сумма мощностей гармоник коллекторного тока в нагрузке.

Для ГВВ, используемого в качестве усилителя, когда нагрузка настраивается на частоту первой гармоники коллекторного тока,

Р₀ = P_kрас + Р₁,

где Р₁ – мощность первой гармоники коллекторного тока в нагрузке. Это выражение представляет собой запись энергетического баланса выходной цепи усилителя мощности.

Для умножителя частоты, нагрузка которого настраивается на частоту n-ой гармоники

Р₀ = P_kрас + Р_n,

где Р_n – мощность n-ой гармоники в нагрузке. Это соотношение – энергетический баланс выходной цепи умножителя частоты.

КПД выходной цепи ГВВ

η = Р₁/Р₀,

где Р_кол – колебательная мощность, выделяемая в нагрузке. При настроенной нагрузке Р_кол = Р₁ (для усилителя) и Р_кол = Р_n (для умножителя частоты).

Для усилителя

η = Р_кол/Р₀ = 0,5I_k1U_н/E_kI_k0,

где U_н – амплитуда переменного напряжения на нагрузке.

Отношение

γ₁ = I_k1/I_k0

называется коэффициентом формы выходного тока, а отношение

ξ = U_н/E_k

– коэффициентом использования АЭ по напряжению. Тогда

η = 0,5 γ₁ ξ.

Следовательно, для увеличения КПД ГВВ, работающего в режиме колебаний II-го рода, нужно увеличивать долю переменных составляющих выходного тока и напряжение на нагрузке по отношению к постоянной составляющей выходной цепи АЭ.

Основные элементы и параметры УМ

Основным элементом усилителя является его АЭ. Для связи АЭ с нагрузкой и источником сигнала в усилителе предусматриваются специальные цепи связи. Рабочий режим АЭ обеспечивают дополнительные источники питания. Так как в одном усилителе могут использоваться несколько самых различных по уровню питающих напряжений, то стремятся использовать только один источник питающего схему усилителя напряжения с помощью их делителей. Кроме того, усилитель, как правило, содержит определенное количество цепей, реализующих функционирование обратных связей, когда для улучшения параметров усилителя появляется необходимость передавать сигнал полностью или частично с выхода усилителя на его вход. Выполнение таких цепей требует особого внимания разработчиков принципиальных схем усилительных каскадов, из-за высокой их чувствительности к величинам элементов, организующих цепи обратной связи.

Другим не менее важным параметром усилителя является его нагрузка, которая характеризуется своим сопротивлением. Под сопротивление нагрузки усилителя понимается эквивалентное сопротивление выходной колебательной системы (в частном случае одиночного контура) ГВВ. Зависимость параметров генератора от сопротивления нагрузки называют нагрузочными характеристиками ГВВ. Построение их выполняется с помощью динамических характеристик генератора.

Усилитель характеризуется очень большим числом параметров, основными среди которых являются: комплексный коэффициент передачи, выходная неискаженная мощность Р_кол, полоса рабочих частот, уровень линейных и нелинейных искажений, КПД, амплитудная, амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики, коэффициент усиления и некоторые другие.

Зависимость основных энергетических параметров (Р_кол, η, К_Р) от сопротивления нагрузки можно конкретизировать с помощью выражений

Р_кол = 0,5I²_выхR_н,

η = Р_кол/Р₀ = 0,5 I²_выхR_н/Р₀,

К_р = Р_кол/Р_вх = 0,5 I²_выхR_н/Р_вх,

где Р_вх – мощность сигнала на входе усилителя.