Методическая разработка

ПРОВЕДЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ

(Направление подготовки 280700.62 - Техносферная безопасность

профиль «Защита в чрезвычайных ситуациях»)

по учебной дисциплине

«Системы связи и оповещения»

Тема № 4 Беспроводные системы связи и оповещения

Занятие 4/3 Изучение принципов передачи и приема радиосигналов

Учебная группа: 301

Цели и задачи занятия:

1. Исследовать процессы формирования, передачи и приема радиосигналов.

2. Прививать навыки научного анализа и обобщения полученных результатов.

3. Воспитывать стремление к повышению знаний и профессиональных навыков.

II. План проведения и расчет учебного времени

Содержание и порядок проведения занятия	Время, мин
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ Учебные вопросы: Исследование радиопередатчика Исследование радиоприемника ЗАДАНИЕ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ	5 160 80 80 5 10

III. Учебно-материальное обеспечение:

1. Учебно-лабораторные установки «Теория электрической связи», «Устройство радиоприемных систем»

IV. Методические материалы

к проведению практического занятия

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

В ходе занятия студентам необходимо получить представление о физических процессах, происходящих при обеспечении радиосвязи, понять и усвоить принцип действия передающей и приемной части радиостанции, осуществить самостоятельные действия по изучению работы и характеристик радиопередатчика и радиоприемника.

Для контроля усвоения материала предшествующей темы студентам предлагается ответить на следующие вопросы:

1. Поясните общий принцип передачи информации по каналу радиосвязи.

2. Поясните модуляции сигналов в процессе радиосвязи.

3. Поясните демодуляции (детектирования) сигналов в процессе радиосвязи.

4. Поясните понятия управляющего и несущего сигнала в процессе радиосвязи.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Исследование радиопередатчика Теоретическая часть

Радиопередающие устройства предназначены для формирования колебаний несущей частоты, модуляции их по закону передаваемого сообщения и излучения полученного радиосигнала в пространство или передачи его по физическим линиям связи [1] .

Структурно радиопередающие устройства состоят из передающей антенны и собственно радиопередатчика (далее передатчика). Сформированные в передатчике информационные радиосигналы поступают в антенну и из­лучаются ею в свободное пространство в виде электромагнитных волн. Проведение лабораторных работ по изучению антенно-фидерных устройств в тематических планах дисциплин «Автоматизированные системы управления и связь» и «Системы связи и оповещения» не предусмотрено, поэтому в данном лабораторном практикуме антенны подробно не рассматриваются.

Передатчики классифицируют по назначению, диапазону рабочих волн (частот), излучаемой мощности, виду модуляции сигналов и условиям экс­плуатации.

По назначению передатчики бывают вещательными (радиовещательные, телевизионные), связными, радиолокационными, навигационными, телеметрическими и другими.

Конструкции, габариты и масса передатчиков в основном определяются средней излучаемой мощностью. Стабильность и устойчивость работы передатчика, оцениваемые по его способности сохранять свои электрические характеристики в допустимых пределах при воздействии окружающей среды (температуры, влажности, атмосферного давления, механических нагрузок, климатических и специальных воздействий) и изменении параметров источника питания.

По средней излучаемой мощности передаваемых радиосигналов различают передатчики очень малой (менее 3 Вт), малой (3...100 Вт), средней (0,1...10 кВт), большой (10...100 кВт) и сверхбольшой (более 100 кВт мощности.

По виду модуляции сигнала радиопередатчики (и радиоприемники) делятся на устройства с амплитудной, амплитудной балансной и однополосной, частотной, фазовой, импульсной, импульсно-кодовой и другим видами модуляции.

По условиям эксплуатации различают стационарные, бортовые (корабельные, самолетные, автомобильные) и переносные (портативные) передатчики.

К основным параметрам передатчиков относятся коэффициент полезно действия (КПД), нестабильность частоты несущего колебания, коэффициенты нелинейных и линейных искажений передаваемого сигнала и уровни внеполосного излучения.

Коэффициент полезного действия передатчика определяется следующей формулой:

КПД=Р_А/Р_О, (1)

где Р_А — средняя мощность, отдаваемая в антенну; Ро — мощность, потребляемая устройством от всех источников питания. КПД современных передатчиков достигает 30...40 %, причем этот параметр повышается с увеличением излучае­мой мощности.

Нестабильность частоты — важнейший показатель, без учета которого не может быть обеспечена надежная работа любого радиоканала.

Первым звеном любого канала связи является радиопередающее устройство, поэтому приходится учитывать и по возможности минимизировать искажения полезного сигнала, вносимые передатчиком. Искажения возникают в процессе модуляции, усиления и прохождения сигнала через различные цепи передатчика и линии связи. Все это приводит к искажениям или потере части информации на приемной стороне радиотехнической системы.

Наличие в передатчике нелинейных и параметрических цепей обусловливает появление нелинейных искажений передаваемых радиосигналов. Возникающие при этом высшие гармоники радиосигнала излучаются передающей антенной в пространство. Побочные излучения в виде высших гармоник попадают в рабочий частотный диапазон других радиотехнических систем и создают им помехи в работе. Кроме нелинейных искажений, в передатчике возникают и линейные (частотные) искажения, связанные с прохождением радиосигналов через частотно-избирательные цепи с неидеальными АЧХ и нестрого линейными ФЧХ. Линейные искажения влияют на качество передачи только в своем канале.

Передатчик с амплитудной модуляцией

Простейшая схема передатчика с амплитудной модуляцией несущего колебания содержит возбудитель, каскады умножения частоты (УЧ), усиления мощности (УМ), усилитель низкой частоты (УНЧ), на который подается передаваемый сигнал U_вх, и амплитудный модулятор (AM). Возбудитель представляет собой маломощный задающий автогенератор, стабилизированный кварцевым резонатором. Малая мощность задающего автогенератора позволяет использовать при его разработке более высокочастотные полупроводниковые приборы, обладающие меньшей инерционностью, обеспечивает облегченный тепловой режим работы усилительного прибора и кварцевого резонатора, что повышает стабильность частоты. Кварцевые автогенераторы пока работают на сравнительно невысоких (до сотен МГц на гармониках кварца) частотах. Поэтому после задающего генератора включают каскады умножителей частоты, которые повышают частоту колебаний до величины несущей. Часто в умножителях частоты осуществляется еще и увеличение мощности колебаний. Для создания требуемой мощности на выходе передатчика в схеме применяются усилители мощности. Как правило, усилители мощности радиосигнала включены между каскадами умножителей частоты, и весь такой тракт называют усилителъно-умножительной цепочкой. Выходной усилитель мощности передатчика нагружен на фидер (волновод, кабель и т. п.), соединенный с антенной.

Амплитудная модуляция осуществляется обычно в выходном усилителе мощности. Часто такой усилитель мощности является оконечным каскадом передатчика.

Передатчик с частотной модуляцией

В диапазонах метровых и дециметровых волн в схемах вещательных связных передатчиков применяется частотная модуляция. В простейших передатчиках, работающих с одним-двумя информационными каналами, частотная модуляция осуществляется путем воздействия передаваемым сигналом U_вх (он предварительно усиливается в УНЧ) на частоту колебаний ЧМ-генератора (ЧМ). При этом неизменная частота несущего колебания сад формируется возбудителем.

Частотно-модулированные колебания с ЧМ-генератора поступают на усн-лительно-умножительную цепочку (УЧ-УМ), где частота и мощность колебаний многократно увеличиваются. Высокая стабильность несущей частоты поддерживается специальными методами, в частности, с помощью систем автоматической подстройки частоты.

В многочастотных широкодиапазонных передатчиках в качестве возбудителя используют синтезатор частот, а частотная модуляция сигнала выполняется в модуляторе ЧМ-сигналов. Данные радиотехнические устройства обеспечивают создание сетки (группы) частот для многоканального передатчика.

В современных высококачественных широкодиапазонных передатчиках (это относится и к приемникам) требование высокой стабильности частоты, возможности ее быстрой перестройки являются несовместимыми. Поэтому при разработке синтезаторов частоты переходят к дискретному перекрытию частотного диапазона, при котором допускается генерирование сигналов на любой из множества частот, следующих друг за другом с определенным фиксированным интервалом, называемым шагом дискретной сетки.

Синтезатор частоты содержит опорный кварцевый генератор (ОКГ), управляемый делитель частоты (УДЧ), управляемый генератор (УГ), фазовый детектор (ФД) с цепью фазовой автоматической подстройки частоты и программируемое цифровое устройство (ПЦУ).

На фазовый детектор поступают два колебания: первое со стабильной частотой f_on — от опорного кварцевого генератора; второе с частотой f/N - f_on через управляемый делитель частоты с коэффициентом деления N — от управляемого генератора. Напряжение с выхода фазового детектора через фильтр нижних частот (ФНЧ) воздействует на управляемый генератор и подстраивает его до обеспечения равенства частот f/N и f_on. Изменяя с помощью ПЦУ коэффициент деления N, можно получить требуемую сетку частот с шагом, равным f_on. Поскольку выходная частота синтезатора связана с частотой опорного кварцевого генератора формулой f = Nf_on, то относительные нестабильности этих частот равны. Если в таком синтезаторе передатчика требуется стабилизировать очень низкую частоту, то между опорным кварцевым генератором и фазовым детектором необходимо дополнительно ввести делитель частоты (ДЧ).

Рассмотренный простейший вариант синтезатора частоты имеет ряд недостатков. Первый из них связан с конечностью ширины полосы синхронизации управляемого генератора, которая зависит от управляющих элементов генератора и коэффициентов передачи ФД и ФНЧ. Поэтому для получения широкой сетки частот приходится изменять собственную частоту f управляемого генератора. Второй недостаток обусловлен узкими возможностями УДЧ, построенного, как правило, на основе счетчика импульсов. Введением обратной связи в таком делителе частоты можно изменять его коэффициент деления, который будет принимать любые целочисленные значения, допустимые разрядностью счетчика.

В современных передатчиках часто требуется использовать дробные значения коэффициента деления частоты. Метод дробного преобразования частоты используется в новейших разработках цифровых синтезаторов, реализуемых по следующей базовой схеме. В таком синтезаторе коэффициент деления программно-управляемого делителя частоты (ПУДЧ) изменяется во времени, образуя последовательность временных циклов определенной длительности. Полученный цикл также делят на несколько подциклов, в течение каждого из которых коэффициент деления постоянен. Изменение же коэффициента деления производится в момент перехода от одного подцикла к другому таким образом, чтобы средний за время цикла коэффициент деления был равен заданному.

В схеме цифрового синтезатора частоты используются цифровой фазовый детектор (ЦФД), ЦАП и микропроцессор (МП). Подстройку выходной частоты производят в конце каждого цикла. Для этого используют управляемый генератор, напряжение подстройки частоты на который подается с ЦАП. Сигнал управления (ошибки, рассогласования) вырабатывается цифровым фазовым детектором и соответствует значению средней за время цикла разности фаз колебаний, получаемых от опорного кварцевого генератора и управляемого генератора. Затем сигнал управления с фазового детектора подается на микропроцессор, который через ЦАП по заданному коду требуемой частоты осуществляет программное управление схемой ПУДЧ.