1.2 Основные понятия. Общие принципы организации радиосвязи

Радиосвязью называется электрическая связь, предназначенная для передачи сообщений на большое расстояние посредством электромагнитного излучения с использованием тока высокой частоты. Система связи, осуществляемая при помощи радиоволн, используется главным образом для передачи телеграфных или звуковых сигналов. Радиосвязь применяется также для передачи неподвижных и движущихся изображений.

Для организации радиосвязи необходимо создать канал связи -совокупность технических средств и физической среды, в которой сигналы, отображающие передаваемую информацию, распространяются от ее источника к ее получателю, причем средой распространения является открытое пространство.

Основными показателями канала связи являются эффективность и надежность. Эффективность канала связи оценивается количеством информации, которое можно передать в единицу времени. Для оценки надежности канала связи используется понятие вероятности исправной работы канала в течение заданного промежутка времени. Для передачи информации используются сигналы.

Чтобы осуществить процесс передачи информации по радио, необходимо в пункте передачи иметь источник тока радиочастоты. Для передачи телеграфных или телефонных сигналов нужно током радиочастоты управлять при помощи телеграфного аппарата или микрофона. Аппаратура, в которой происходят процессы генерации и управления током радиочастоты, называется радиопередающим устройством, или передатчиком. С выхода передатчика энергия радиочастоты поступает в передающую антенну, предназначенную для излучения (отрыва) электромагнитной энергии в пространство. Таким образом, устройства, обеспечивающие согласование радиопередатчика и радиоприемника со средой, называют антеннами, а возникновение и отрыв радиоволн от передатчика называется излучением.

Свободные электромагнитные колебания распространяются в пространство и достигают пункта приема, где используется приемная антенна, в которой под влиянием приходящих электромагнитных волн индуктируется электродвижущая сила радиочастоты. ЭДС в приемной антенне в связи с большими потерями энергии радиоволн в среде распространения имеет маленькую амплитуду, которую невозможно использовать для выделения переданного сигнала. Поэтому напряжение радиочастоты, полученное с выхода приемной антенны, необходимо усилить. Одновременно с усилением осуществляется процесс избирательности - подавления паразитных колебаний, наведенных в приемной антенне электромагнитными волнами от различных источников радиопомех, существующих в радиоканале. После усиления и избирательности колебаний происходит процесс их демодуляции - процесс преобразования тока радиочастоты в импульсы постоянного тока при приеме телеграфных сигналов или преобразование в ток звуковой частоты при приеме речи или музыки. Процессы усиления, избирательности и демодуляции происходят в радиоприемном устройстве, или приемнике.

Передаваемое сообщение преобразуется преобразователем в электрические сигналы. Радиопередающее устройство состоит из генератора, модулятора, усилителя радиочастоты и передающей антенны. Генерирование тока ВЧ на передающей станции осуществляется генератором ГВЧ. Электрические сигналы, поступая на ГВЧ, управляют током высокой частоты, питающим антенну. Изменения тока ВЧ под воздействием передаваемых сигналов приводят к соответствующим изменениям излучаемых волн, которые отображают в себе электрические сигналы, а, следовательно, и передаваемое сообщение. Модуляция сигнала необходима для представления его в помехоустойчивой форме, а также для увеличения скорости передачи информации. К выходу усилителя подключается передающая антенна, представляющая собой провод, подвешенный на высоких мачтах над землей. Антенна излучает в окружающее пространство электромагнитную энергию в виде электромагнитных волн (радиоволн). Электромагнитное поле радиоволн распространяясь и встречая на своем пути приемную антенну, наводит в ней ЭДС, создавая ток ВЧ, повторяющий изменения тока в передающей антенне. Далее приступает к работе радиоприемник, содержащий входное устройство, соединенное с приемной антенной, усилитель, демодулятор и воспроизводящее устройство. Так как, на приемную антенну падают электромагнитные волны от многих передатчиков, которые возбуждают в антенне целый ряд электрических сигналов, возникает необходимость выделения колебаний определенного передатчика. Эту функцию выполняет колебательный контур входного устройства, который настраивается на частоту несущего колебания. Входное устройство позволяет также избавиться от влияния мешающих станций или существенно ослабить его. С выхода входного устройства модулированное колебание поступает на демодулятор, где из модулированного колебания получается управляющий электрический сигнал.

Таким образом, можно сделать вывод, что при изучении процесса передачи информации с использованием излучения радиоволн, можно выделить семь_основных задач радиосвязи:

• Генерация тока радиочастоты;

• Управление током радиочастоты;

• Излучение электромагнитной энергии;

• Распространение электромагнитных волн;

• Прием электромагнитных волн;

• Усиление слабых колебаний

• Выделение переданных сигналов.

Таким образом, в нашем распоряжении есть сообщение, содержа­щее информацию, но не способное дойти до получателя. Есть и вы­сокочастотное колебание, которое найдет своего получателя, но не принесет ему информацию. Как соединить вместе необходимые каче­ства сообщения и безынформативного колебания?

Единственный способ - попытаться наложить на высокочастотное колебание отпечаток сообщения, т.е. использовать высокочастотное колебание лишь в роли переносчика сообщения, содержащего ин­формацию. С этой целью нужно изменять один или несколько призна­ков (параметров) несущего колебания в соответствии с изменениями сообщения. Тогда мы получим высокочастотное колебание с меняю­щимися во времени параметрами по закону передаваемого сообще­ния. Рассмотренный процесс называется модуляцией.

На рисунке 1.1 приведена упрощенная структурная схема радиолинии. Передаваемое сообщение поступает на преобразователь (микрофон, телевизионную камеру или телеграфный аппарат), который преобра­зует его в электрический сигнал. Последний поступает на радиопере­дающее устройство, состоящее из модулятора (М), синтезатора не­сущей частоты (СЧ) и усилителя модулированных колебаний (УМК). С помощью модулятора один из параметров высокочастотного коле­бания изменяется по закону передаваемого сообщения. С помощью антенны (А) энергия радиочастотных колебаний передатчика излуча­ется в тракт распространения радиоволн.

Рисунок 1.1 Структурная схема радиолинии

На приемном конце радиоволны наводят ЭДС в антенне. Радио­приемное устройство с помощью селективных (избирательных) цепей (СЦ) отфильтровывает сигналы от помех и других радиостанций. В детекторе (Д) происходит процесс, обратный модуляции, - выделе­ние из модулированных колебаний исходного электрического сигнала, который управлял радиопередатчиком. С помощью преобразователя (громкоговорителя, телеграфного аппарата, приемной телевизионной трубки) электрический сигнал связи преобразуется в сообщение, дос­тавляемое абоненту.

Рассмотренная радиолиния обеспечивает одностороннюю пере­дачу сообщения, что приемлемо только в службах оповещения. Од­ностороннюю радиосвязь представляет собой, в сущности, и радио­вещание, хотя в этом случае прием ведется не в одном, а во множе­стве пунктов. Прием во многих пунктах ведется также при циркуляр­ной передаче: распоряжения передаются многим исполнителям; со­общения передаются из пресс-центра редакциям газет и т.д.

Для организации двусторонней радиосвязи в каждом пункте надо иметь и передатчик, и приемник. Если при этом передача и прием на каждой радиостанции осуществляются поочередно, то такая радио­связь называется симплексной (рисунок 1.2, а). Двусторонняя радио­связь, при которой связь между радиостанциями реализуется одно­временно, называется дуплексной (см. рисунок 1.2, б). При дуплексной радиосвязи передача в одном и другом направле­ниях ведется, как правило, на разных несущих частотах. Это делается для того, чтобы приемник принимал сигналы только от передатчика с противоположного пункта и не принимал сигналов собственного пе­редатчика.

Рисунок 1.2 Структурная схема организации радиосвязи: а - симплексной; б – дуплексной

Для радиосвязи на большие расстояния применяют радиопере­датчики мощностью в десятки и сотни киловатт. Поэтому, хотя при дуплексной связи приемник настраивается не на ту частоту, на кото­рую настроен свой передатчик, трудно обеспечить его нормальную работу вблизи мощного передатчика. Исходя из этого, приемник и пе­редатчик приходится размещать на расстоянии в десятки километров друг от друга.

Симплексная связь используется, как правило, при наличии отно­сительно небольших информационных потоков. Для объектов с большой нагрузкой характерна дуплексная связь.

Если необходимо иметь радиосвязь с большим числом объектов, то организуется так называемая радиосеть (рисунок 1.3). Одна радио­станция, называемая главной (ГР), может передавать сообщения как для одного, так и для нескольких подчиненных объектов. Ее радист-оператор следит за порядком в радиосети и устанавливает очеред­ность работы на передачу подчиненных станций (ПР). Последние при соответствующем разрешении могут обмениваться информацией не только с ГР, но и между собой. Этот вариант организации радиосети может быть построен на основе как сложного симплекса (см. рисунок 1.3, а), так и сложного дуплекса (см. рисунок 1.3, б). В первом случае возможно использование совмещенных приемопередатчиков и общей рабочей радиоволны (частоты). Во втором случае ГР ведет передачу на одной частоте, а принимает на нескольких (по числу подчиненных радио­станций). Несмотря на различие в частотах приема и передачи, здесь, как и при простом дуплексе, необходимо располагать приемник и пе­редатчик на удалении друг от друга. Иначе из-за помех, создаваемых передающим устройством, одновременный прием сообщений может стать невозможным.

Рисунок 1.3 – Структурные схемы радиосетей: а - сложный симплекс; б - сложный дуплекс

Центры крупных промышленных районов соединяются линиями радиосвязи со многими пунктами. В этих условиях передатчики и пе­редающие антенны располагают на радиостанции, которую называют передающим радиоцентром. Приемники и приемные антенны распо­лагают на приемном радиоцентре.

Процессы в электроэнергетических сооружениях, на электрифици­рованных железных дорогах, в электрических установках и бытовых электроприборах, множество которых имеется в городах, связаны с излучением электромагнитных волн. Поскольку эти излучения могут быть помехами радиоприему, приемный радиоцентр обычно поме­щается в стороне от населенных пунктов и железных дорог. Для соединения источников сообщения с радиопередатчиками и радио­приемниками и контроля качества радиосвязи в городах оборудуют радиобюро.

Схема комплекса средств радиосвязи, обслуживающих админист­ративный или хозяйственный центр, изображена на рисунок 1.4. Здесь: 1 - передающий радиоцентр с радиопередающими устройствами Пер1, Пер2, ..., ПерN; 2 - приемный радиоцентр с радиоприемными устройствами Пр1, Пр2, ..., ПрN; 3 - город, который связан с радио­центрами соединительными линиями связи 4 и 5. По линиям 4 на ра­диоцентр 1 поступают передаваемые сигналы, а по линиям 5 в город передаются сигналы, принятые радиоцентром 2; по этим же линиям передаются сигналы дистанционного контроля работы радиоцентров и сигналы дистанционного управления оборудованием. Радиобюро 6 соединено линиями связи с телеграфной и фототелеграфной аппа­ратными центрального телеграфа 7 и 8, междугородной телефонной станцией 9, а также радиовещательной аппаратной 10. Радиовеща­тельная аппаратная служит для обмена радиовещательными про­граммами с другими городами или странами. Аппаратные связаны с источниками передаваемых сообщений, такими как сети абонент­ского телеграфа, телефонные и др.

Многие электрические цепи являются системами, излучающими электромагнитную энергию вследствие резких изменений тока, происходящих в этих цепях. Эта энергия создает помехи, обнаруживаемые в виде тресков и шумов на выходе приемника.

Рисунок 1.4 Схема комплекса средств радиосвязи

Объем информации, который может быть передан по проводной или радиосвязи

V_u = T₀Flog₂(P_с/P_n+l),

где V_u - объем информации, выраженный количеством двоичных единиц; Т₀ - продолжительность передачи, с; F - спектр используемых частот, Гц; Р_с - мощность сигнала, Вт; Р_п - мощность помехи, Вт.

Так как количество информации зависит от отношения мощности сигнала к мощности помехи, необходимо рассмотреть возможные способы увеличения отношения сигнал/шум в пункте приема.

Чтобы не создавать взаимных помех при одновременной работе нескольких радиостанций в одной местности, в разных линиях радиосвязи для передачи информации используются волны различной длины. Длиной радиоволны называется такое расстояние, на которое распространяется электромагнитное поле за время одного колебания:

λ = сТ =

где λ - длина радиоволны, м; с=3·10⁸ - скорость распространения радиоволн в свободном пространстве, м/с; Т - период колебания, с.

Заменив период частотой, получим λ = 3*10 /f.

В пределах одного крупного железнодорожного узла часто должны одновременно работать несколько кругов радиосвязи. Для устранения опасности взаимных мешающих влияний отдельных радиостанций при проектировании этих кругов радиосвязи должен быть произведен расчет электромагнитной совместимости устанавливаемых радиосредств Электромагнитной совместимостью (ЭМС) называют совокупность свойств элементов тракта связи, проявляющихся в таких условиях эксплуатации, при которых неумышленные помехи от одних элементов на другие отсутствуют или их величина ослаблена до уровня, обеспечивающего работоспособность канала радиосвязи с заданными техническими показателями. При заданных типах радиостанций расчет ЭМС сводится к определению территориального разноса между радиостанциями и определению необходимого частотного разноса между радиочастотами, используемыми этими радиостанциями.