1209

А.С.Шостак

ФОРМИРОВАНИE И ПЕРЕДАЧА СИГНАЛОВ

Часть 1

Курс лекций для студентов специальности 160905 – «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования»

ТОМСК 2012

3

Рецензент: профессор кафедры КИПР, д.т.н. Татаринов В.Н.

Технический редактор: доцент кафедры КИПР ТУСУР, к.т.н. Озёркин Д.В.

Шостак А.С.

Формирование и передача сигналов. Часть 1. Курс лекций для студентов специальности 160905 – «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования».

Томск: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2012. – 154 с.

Содержание курса лекций соответствует программе курса «Формирование и передач сигналов» для специальности 160905.

Конспект лекций может быть использован студентами дневных факультетов радиотехнического профиля для организации самостоятельной работы. Излагаемый материал ориентирован также на самостоятельное изучение дисциплины студентами заочной и дистанционной формы обучения

Шостак А.С., 2012

Кафедра КИПР Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, 2012

4

СОДЕРЖАНИЕ

2.2Обобщенная структурная схема устройства формирования и

2.3Структурные схемы радиопередатчиков с непрерывным и

2.4Классификация устройств формирования и передачи сигналов

4.1Обобщенная структурная схема генератора с внешним

4.3Методы анализа работы ГВВ с нелинейным электронным

4.4Аппроксимация статических характеристик безынерционных

8ВОЗБУДИТЕЛИ КОЛЕБАНИЙ РАДИОПЕРЕДАТЧИКОВ [1 - 3] 80

6

1ВВЕДЕНИЕ

Вкурсе лекций рассмотрены основные вопросы теории и техники формирования и передачи сигналов, которые образуют необходимую базу знаний авиационного радиоинженера в области передачи и формирования сигналов.

Необходимо иметь в виду, что теория и техника формирования и передачи сигналов продолжают быстро развиваться. Этому способствует непрерывное совершенствование элементной базы, в частности приборов СВЧ. Можно выделить три основных направления развития теории и техники формирования и передачи сигналов: освоение все более высокочастотных диапазонов; развитие функционально-узлового метода конструирования, повышающего надежность аппаратуры и ее качественные показатели; широкое применение цифровых устройств.

Все эти вопросы необходимо отслеживать радиоинженеру для квалифицированного обслуживания современных авиационных радиоустройств.

Вподготовке инженеров по специальности «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования» учебная дисциплина «Формирование и передача сигналов» является базовой дисциплиной специального цикла. Она предусматривает изучение теоретических основ формирования и передачи сигналов в авиационных радиосистемах, принципов построения и способов реализации различных устройств формирования и передачи сигналов на схемотехническом уровне. Основное внимание уделяется анализу работы типовых функциональных узлов радиопередающих устройств. Роль базовой дисциплины состоит в том, что она закладывает фундамент основных профессиональных знаний и умений, необходимых для изучения конкретной авиационной техники на последующих этапах обучения.

При отборе учебного материала и структурировании содержания учитывалось, что студенты, приступающие к изучению данной дисциплины, уже изучили дисциплины: «Радиотехнические цепи и сигналы», «Схемотехника», Сведения из теории ориентированы, прежде всего, на анализ работы реальных устройств. Это продиктовано тем, что инженеру-эксплуатационнику в первую очередь важно уметь определять, насколько правильно работает реальное устройство, а еще важнее – почему оно в данный момент не работает

(отказало).

Самостоятельная работа с конспектом лекций должна проводиться регулярно в соответствии с учебным графиком. Прослушав лекцию по теме и приступая к работе с учебником по этой теме, обучаемый, прежде всего, должен построить схему ориентировочной основы своей деятельности. Работая над основным текстом, необходимо добиваться полного понимания цели изучения каждого учебного элемента.

7

2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАБОТЕ РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ [1-3]

2.1Этапы развития техники радиопередающих устройств

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.

Начало развития техники радиопередающих устройств относится к 1896 г., 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 к 1897 г. до 5 км, а к 1899 г. до 45 км. В радиопередатчике А.С.Попова использовался единственно известный в то время принцип получения колебаний высокой частоты – с помощью искрового разряда. Отсюда название таких передатчиков – искровые. Упрощенная структурная схема радиопередатчика приведена на рисунке 2.1 (1 – источник питания; 2 – ключ; 3 – высоковольтная катушка; 4 – разрядник; 5 – антенна). Процесс излучения энергии происходит в передатчике не непрерывно. Каждый пробой искрового промежутка в антенне приводит к возникновению быстрозатухающих колебаний (антенный контур имеет малую добротность). При этом антенна служит не только элементом, излучающим электромагнитную энергию, но и элементом, определяющим частоту радиочастотных колебаний.

Рисунок 2.1 – Структурная схема радиопередатчика А.С.Попова

Первые искровые передатчики излучали колебания исключительно широкого спектра, что, естественно, создавало помехи соседним радиолиниям. Для повышения добротности антенной колебательной системы (и, следовательно, уменьшения затухания высокочастотных колебаний) позднее разрядник был перенесен в дополнительный колебательный контур, индуктивно связанный с антенным контуром.

Наряду с совершенствованием искровых радиопередатчиков во втором десятилетии XX века для генерации колебаний высокой частоты начали широко использоваться устройства, основанные на применении и других прин-

8

ципов. Так, были получены незатухающие радиочастотные (РЧ) колебания в резонансном контуре, присоединенном параллельно к вольтовой дуге (так называемые дуговые радиопередатчики). В указанных передатчиках использовалось наличие падающего участка вольт-амперной характеристики дуги, соответствующего отрицательному сопротивлению. Это сопротивление компенсирует в контуре генератора сопротивление потерь, в результате чего в нем возникают незатухающие колебания. Поэтому спектр излучения дуговых передатчиков уже, чем искровых. Радиотелеграфные сигналы передавались изменением частоты РЧ колебаний с помощью замыкания и размыкания части витков катушки индуктивности колебательной системы.

Незатухающие колебания генерировались также с помощью электромашин высокой частоты (так называемые машинные передатчики).

К концу 1914 г. дуговые и машинные радиопередатчики практически полностью вытеснили искровые. В нашей стране мощные дуговые передатчики были построены под руководством В.М.Лебедева и М.В.Шулейкина. Один из них мощностью 110 кВт в 1920 г. был установлен в Москве. В развитии техники машинных радиопередатчиков важную роль сыграли работы В.П.Вологдина, под руководством которого было создано несколько мощных машинных радиостанций. Машины В.П.Вологдина мощностью 50 и 150 кВт использовались на Ходынской радиотелеграфной станции в Москве в 1924-

1925 гг.

Как дуговые, так и машинные радиопередатчики имели ряд существенных недостатков: сложность генерирования, усиления и управления РЧ колебаниями в широком диапазоне частот и мощностей, низкая стабильность частоты, сложность проектирования и изготовления и т.д. Поэтому к 30-м годам указанные радиопередатчики были полностью вытеснены ламповыми.

Ламповые радиопередатчики впервые появились в 1914-1916 гг. Первые отечественные генераторные лампы были созданы в 1914 г. Н.Д.Папалекси для передатчика в Царском Селе. В развитии и распространении ламповых передатчиков большую роль сыграла Нижегородская радиолаборатория, организованная в 1918 г. Сотрудниками этой лаборатории являлись лучшие специалисты в области радио: М.А.Бонч-Бруевич, В.П.Вологдин, В.К.Лебединский, А.М.Кугушев, В.В.Татаринов, А.Ф.Шорин и др. Там под руководством М.А.Бонч-Бруевича была создана мощная генераторная лампа с внешним анодом и водяным охлаждением. Мощность, отдаваемая лампой, доходила до 950 Вт. В дальнейшем в Нижегородской лаборатории были разработаны усовершенствованные генераторные и модуляторные лампы мощностью 25 и 40 кВт. На основе этих ламп под руководством М.А.Бонч-Бруевича была построена радиостанция им. Коминтерна (Малый Коминтерн) мощностью 12 кВт, а в 1926 г. – радиостанция мощностью 40 кВт. Обе эти станции в то время являлись самыми мощными в мире.

Одновременно развивались теория и методы инженерного расчета ламповых радиопередатчиков. В развитие теории существенный вклад внесли

9

работы М.В.Шулейкина, А.И.Берга, А.Л.Минца и многих других отечественных и зарубежных ученых.

Успешно развивалась техника радиопередающих устройств в годы первых пятилеток. Строились новые радиостанции, осваивались новые частотные диапазоны. Так, в 1929 г. под руководством А.Л.Минца была построена 100-киловаттная радиовещательная станция им. ВЦСПС, а в 1933 г. начала работать 500-киловаттная радиостанция им. Коминтерна. В годы Великой Отечественной войны в СССР вступила в строй сверхмощная средневолновая радиовещательная станция мощностью 1200 кВт. Отличительной особенностью этих станций была блочная конструкция, когда несколько блоков (генераторов) работали на общую нагрузку. Уже в 30-х годах и особенно в 40-е годы началось интенсивное освоение метрового, дециметрового и сантиметрового диапазонов волн. Именно благодаря использованию этих диапазонов удалось осуществить высококачественную передачу телевизионных изображений, внедрить в практику модуляцию, широко использовать для передачи сообщений радиорелейные линии связи. Освоение новых диапазонов потребовало создания новых электронных приборов для усиления и генерирования высокочастотных (ВЧ) и сверхвысокочастотных (СВЧ) колебаний. В частности, были разработаны магнетроны, многорезонаторные пролетные клистроны, лампы бегущей волны, платинотроны.

Последние годы характеризуются внедрением в технику радиопередающих устройств полупроводниковых приборов. Это стало возможным благодаря созданию мощных генераторных транзисторов. Замена ламп транзисторами в технике радиопередающих устройств вызвана значительными преимуществами этих приборов: малыми массой и габаритными размерами, мгновенной готовностью к работе, долговечностью, низковольтным питающим напряжением. В настоящее время транзисторы реализуются как в маломощных радиопередатчиках и возбудителях, так и в передатчиках средней мощности. При этом наряду с биполярными транзисторами в передающих устройствах применяют полевые транзисторы. По мере разработки более высокочастотных генераторных транзисторов создаются радиопередатчики с использованием транзисторов, работающих на частотах до нескольких гигагерц.

В маломощных ступенях передатчиков и возбудителях стали широко использоваться интегральные микросхемы и микросборки, а для измерения качественных показателей передатчиков и их управления – микропроцессорные устройства и ЭВМ.

Последнее время для генерирования и усиления электромагнитных колебаний используют квантовый метод. Приборы для усиления СВЧ колебаний – мазеры и генераторы когерентного света (лазеры) нашли практическое применение. За разработку таких генераторных приборов советским ученым А.М.Прохорову и Н.Г.Басову совместно с американским ученым Ч.Таунсом присуждена Нобелевская премия. Идет интенсивное освоение и диапазона

10

миллиметровых и субмиллиметровых волн, промежуточных между радиоволнами и световыми колебаниями.

2.2Обобщенная структурная схема устройства формирования и

передачи сигналов

Обобщенная структурная схема современного радиопередатчика изображена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 – Обобщенная структурная схема радиопередатчика

Рассмотрим кратко назначение ее отдельных элементов. Задающий генератор (или возбудитель) 1 генерирует высокостабильные радиочастотные колебания в заданном диапазоне частот. Далее эти колебания усиливаются в предварительных каскадах 2 и поступают на оконечный усилитель мощности 3. Часто предварительные каскады передатчика работают в режиме умножения частоты РЧ колебаний. Это облегчает требования к возбудителю и повышает устойчивость работы передатчика, поскольку усиление ведется на различных частотах. Усилитель мощности 3 обеспечивает на выходе антенны (или фидера) заданную мощность РЧ колебаний. Антенная система 4 излучает РЧ колебания в пространство. Для управления ВЧ колебаниями служит модуляционное (или манипуляционное) устройство 5. Если передатчик работает с амплитудной модуляцией (AM), то модуляционное устройство воздействует на оконечный или предварительные каскады. Если передатчик работает с частотной модуляцией (ЧМ) (манипуляцией), то модуляция (манипуляция) осуществляется в задающем генераторе 1. Устройство охлаждения ламп и контуров 8 поддерживает заданный тепловой режим передатчика, а устройство блокировки и сигнализации (УБС) 7 дает информацию о режиме работы передатчика и обеспечивает его включение и выключение, безопасность обращения с ним обслуживающего персонала. Источники питания 6 необходимы для подачи заданных питающих напряжений на лампы или транзисторы передатчика.