Методология системотехнического проектирования электронных и радиоэлектронных средств (в двух частях)

передаваемое сообщение в изменениях параметров несущего колебания (радиоволны). ВЧ-колебания излучаются антенной в пространство, где распространяются в направлении приемника.

ВЧ-сигналы, улавливаемые приемной антенной, поступают в приемник, структура которого является зеркальным отражением структуры передатчика. Сигнал проходит через узлы, в обратном порядке осуществляющие преобразования, т.е. обратные по отношению к тем, что проводились в передатчике. Приемная антенна улавливает очень малую долю энергии, излученной передающей антенной. Поэтому принятые антенной модулированные колебания после отфильтровывания их с помощью селективных (избирательных) цепей от помех и сигналов других радиостанций (цепи фильтрации на рисунке 4.24 для упрощения не показаны) подают на усилитель высокой частоты (УВЧ), обычно являющийся малошумящим усилителем. УВЧ, помимо усиления, селектирует (выделяет) полезный сигнал от совокупности многих радиосигналов и помех, одновременно поступающих на приемную антенну.

Важно отметить, что на всех этапах прохождения сигнала, несущего информацию от источника к приемнику, на него воздействуют помехи (шумы). Задачей приёмника является выделение полезного сигнала из смеси разных процессов. Поэтому приемное устройство один из наиболее ответственных и сложных элементов системы связи.

Усилениерадиосигналов осуществляется и в последующих каскадахприемника. При этом непосредственное усиление сигнала используется крайне редко. Дело в том, что при переходе на прием другой станции требуется перестраивать избирательный усилитель, сохраняя высокую частотную селекцию (избирательность), т.е. выделять полезный сигнал из других сигналов и помех. Эта сама по себе нелегкая проблема становится чрезвычайно важной, когда требуется большое усиление и, следовательно, применениенескольких усилительныхкаскадов. Задачасущественно упрощается, если в приёмнике используется преобразователь частоты, в котором разные несущие частоты сигналов, поступающих на вход его смесителя, преобразуются (точнее, переносятся) с помощью вспомогательного многочастотного генератора (гетеродина) в сигналы с одинаковой более низкой несущей частотой, называемой промежуточной. На выходе преобразователя частоты включают фильтр, который выделяет полезный сигнал. При этом дальнейшее усиление информационных сигналов происходит на одной частоте без перестройки схем в усилителе промежуточной частоты (УПЧ), который производит основное усиление в приемнике и улучшает селекцию по частоте полезного сигнала. Такой приемник называется супергетеродинным.

Детектор, или демодулятор, осуществляет процесс, обратный модуляции, – выделяет из принятого, усиленного и преобразованного модулированного ВЧколебанияпередаваемый сигнал. Основная задача детектирования –повозможности полное восстановление информации, содержащейся в модулирующем сигнале (искаженном при передаче помехой), поступившем с преобразователя частоты. Поэтому главное требование к детектору – точное воспроизведение формы передаваемого сигнала, чтобы он поступал к получателю неискаженным.

46

Получатель сообщений приемника преобразует электрический НЧ-сигнал детектора в форму информации, удобную для получателя. Как правило, источник первичных сообщений и оконечное устройство в структурную схему системы радиосвязи не включают.

Цифровые (дискретные) системы радиосвязи. Под дискретной системой связи понимают систему, в которой и передаваемый, и принимаемый сигнал является последовательностью дискретных символов. Типичным примером такой системы является телеграф, где и сообщение, и сигнал является последовательностью точек, тире и промежутков между ними. Импульсные методы модуляции интенсивно развивались с начала 40-х гг. ХХ в. в связи с развитием радиолокации, однако импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) не находила широкого практического применения ввиду громоздкости цифрового оборудования до появления в 1959 г. компьютеров второго поколения, использующих в качестве активной элементной базы транзисторы [7].

Чаще всего кодирование здесь сводится к записи номера уровня в двоичной системе счисления, т.е. в случае применения ИКМ дискретные значения непрерывного сигнала передаются в виде кодовых комбинаций «1» и «0», иначе говоря, двоичным кодом. В дальнейшем будем рассматривать в основном цифровые системы, в которых непрерывное сообщение преобразовано в последовательность кодовых комбинаций, составленных из довичных символов. Начало связано с ИКМ, а именно с системами цифровой телефонии на основе кабельных (медных) сетей связи, применяемых для передачи голоса.

В качестве переносчика первичного сигнала в цифровых системах радиосвязи используют периодическую последовательность видео- и радиоимпульсов. Упрощенная структурная схема современного радиоканала цифровой (дискретной) системы связи показана на рисунке 4.25, где для наглядности и лучшего понимания изображены эпюры сигналов в ряде ее характерных точек. В подобных системах вместо генераторов несущих частот используют синтезаторы частот.

Непрерывные сообщения можно передавать по дискретным (цифровым) радиоканалам. Для этого их преобразуют в цифровую форму с помощью операций дискретизации по времени, квантования по уровню и кодирования или оцифровки.

Методы дискретизации и квантования в последнее время стали называть

форматированием и кодированием источника.

Процесс форматирования преобразовывает исходную информацию в цифровую форму, обеспечивая таким образом совместимость информации и функций обработки сигналов с системой цифровой связи. С этого момента передаваемый первичный сигнал представляется цифровым кодом или потоком битов – некой последовательностью стандартных импульсов («единиц») и пауз («нулей») обычно одинаковой длительности. Помимо форматирования применяется сжатие данных, и этот процесс относят к кодированию источника.

Кодирование источника (source coding) – преобразование аналогового сигнала в цифровой для аналоговых источников и удаление избыточности в передаваемой информации. В передающем устройствецифровой системы радиосвязи кодирование

47

передаваемого сигнала выполняется современной цифровой логической микросхемой, называемой кодером.

Рисунок 4.25 – Упрощённая структурная схема радиоканала цифровой системы связи

Следующий этап передачи сообщений – помехоустойчивое кодирование. Идея помехоустойчивого кодирования заключается в том, что к передаваемому сообщению добавляют избыточные неинформативные символы. Эти избыточные символы связаны определенными математическими соотношениями с символами сообщения. Цель внесения избыточности – сделать кодированные сообщения как можно больше отличающимися друг от друга, чтобы обеспечить исправление на приемной стороне всех или некоторых ошибок, возникших в процессе передачи. После применения помехоустойчивого кода сообщение поступает в модулятор. Цифровое сообщение в модуляторе радиопередатчика преобразуется в аналоговый модулированный сигнал, занимающий заданную полосу частот. Для этого несущее колебание модулируют полученной в кодере импульсной последовательностью. Чаще всего в цифровых системах связи используют ИКМ.

Итак, в цифровой системе передачи информации превращение сообщения в радиосигнал осуществляется тремя операциями: преобразованием, кодированием и модуляцией (в аналоговой системе двумя – преобразованием и модуляцией). Отметим, что кодирование определяет математическую сторону, а модуляция – физическую сторону превращения сообщения в радиосигнал. По существу, кодирование

48

представляет преобразование передаваемого сообщения в последовательность кодовых символов, а модуляция – преобразование этих символов в сигналы, пригодные для передачи по цифровому каналу. Фактически, с помощью кодирования и модуляции источник сообщений согласуется с каналом связи.

В приемнике после усиления на радиочастоте в УВЧ, преобразования частоты и усиления в преобразователе с УПЧ из сигнала промежуточной частоты (принятого вторичного сигнала) с помощью демодулятора извлекается и регенерируется (восстанавливается) последовательность кодовых символов (первичный сигнал). Затем производится декодирование их в декодере. Процесс декодирования состоит в восстановлении переданногосообщения попринимаемым кодовым символам.С выхода декодера восстановленный аналоговый сигнал поступает к получателю сообщений.

Радиоприемные устройства

Обобщенная структурная схема, отражающая основные функции РПрУ, показана на рисунке 4.26. Она содержит шесть функциональных узлов-трактов [7]:

–антенну (А);

–усилительно-преобразовательный тракт (УТ);

–информационный тракт (ИТ);

–тракт адаптации, управления и контроля (ТАУК);

–гетеродинный тракт (ГТ);

–опорный генератор (ОГ).

Электромагнитные волны (ЭВ) принимаются антенной и в виде радиосигнала поступают в усилительно-преобразовательный тракт.

Рисунок 4.26 – Обобщенная структурная схема приемника

УТ производит выделение полезного сигнала из совокупности поступающих от антенны сигналов и помех, не совпадающих с ним по частоте, и усиление этого сигналадоуровня, необходимогодлянормальной работыследующихкаскадов. Хотя в УТ с сигналом производятся определенные нелинейные операции (усиление по высокой частоте, смещение спектра, ограничение амплитуды и др.), в принимаемую информацию указанный тракт существенных искажений не вносит и в этом смысле его можно считать практически линейным.

49

В информационном тракте осуществляется основная обработка принятого радиосигнала с целью выделения содержащейся в нем информации (демодуляция и ослабление мешающего воздействия помех). Важнейшей задачей приемника является выделение информации с максимальной достоверностью – так называемый оптимальный прием. Для этого в состав ИТ включают оптимальный фильтр, цепи последетекторной обработки, следящие системы частотной и фазовой автоматической подстройки, используемые для детектирования сигнала, а также для его поиска и сопровождения по частоте, фазе и временной задержке.

Гетеродинный тракт преобразует частоту собственного или внешнего ОГ и формирует сетку частот, необходимую для работы преобразователей частоты в УТ, следящих систем и устройств обработки сигнала в ИТ. Обычно это синтезатор частот, обеспечивающий работу всего приемника.

С помощью ТАУК осуществляют ручное, дистанционное и автоматизированное управление режимом работы приемного устройства (включение и выключение, поиск и выбор сигнала, адаптацию к изменяющимся условиям работы и т.д.). При этом качество его работы отражается на соответствующих индикаторах. Для внешнего управления (ВУ) приемником ТАУК подводятся соответствующие сигналы управления.

Дальнейшее преобразование сигнала зависит от особенностей применения РПрУ. Если, например, приемник предназначен для многоканальной радиосвязи, то продетектированный и усиленный сигнал подводится к оконечному устройству (ОУ), в котором происходит разделение сигналов по отдельным каналам и, если требуется, дополнительная их обработка. В оконечном устройстве энергия выделяемого сигнала используется для получения требуемого выходного эффекта – акустического (телефон, громкоговоритель), оптического (кинескоп, дисплей), механического (печатающее устройство или электромеханический привод).

Источник питания (ИП) обеспечивает постоянным током все узлы приемника. В ИП может осуществляться преобразование (повышение или понижение) напряжения, выпрямление, фильтрация, стабилизация.

Стурктурная схема на рисунке 4.26 является наиболее общей, однако в конкретных РПрУ отдельные связи между трактами и даже некоторые тракты могут отсутствовать или выполнять ограниченный набор функций, при этом упрощение структурной схемы приемного устройства и ограничение некоторых функций отдельных трактов снижают полноту реализации возможностей радиоприема.

По особенностям построения схем РПрУ можно условно разделить на две основные группы: приемники прямого усиления и супергетеродинные приемники (рисунок 4.27). Первые делят на приемники прямого усиления без регенерации и приемники прямого усиления с регенерацией. Иногда создают сверхрегенеративные приемники. Более полная классификация РПрУ по способу построения линейного тракта приведена на рисунке 4.28.

50

необходимости нужную подстройкуусиления и частоты с помощью автоматической регулировки уровня (АРУ) и автоподстройки частоты гетеродина (АПЧ), переключение тракта усилителя промежуточной частоты на более узкую полосу при появлении помехи по соседнему каналу, переключает регулятор тембра [7].

Развивается цифровое радиовещание. Цифровая система передачи звука работает в системах спутниковой связи и спутникового радиовещания, а также используется для цифровой звукозаписи. Цифровое вещание может обеспечить практически неискаженное воспроизведение звука: полосу воспроизводимых частот 5–20 000 Гц, коэффициент нелинейных искажений менее 90 дБ, практически полное отсутствие внешних помех, а также осуществить стереофоническое вещание. Недостатком линий цифрового вещания является широкая полоса частот – порядка 8 МГц, занимаемая одной радиостанцией, чтоопределяет диапазонынесущих частот цифрового вещания. Цифровое радиовещание позволяет просто реализовать вывод информации на дисплей, режим повтора, запоминание сообщений и т.д.

В последнее время приемники с цифровой обработкой принимаемого сигнала в основном строились по смешанной схеме, в которой на цифровых микросхемах реализованы лишь отдельные узлы: детекторы, фильтры, синтезаторы частоты и т.д. В новейших и перспективных разработках приёмников используют в основном цифровую технику. Упрощённая структурная схема современного цифрового SDRприемника (software defined radio, программно определяемое радио) показана на рисунке 4.29 [7, 15].

Рисунок 4.29 – Упрощённая структурная схема цифрового SDR-приемника

Усилительный тракт (УТ) приемника выполнен на аналоговых элементах и производит предварительную частотную фильтрацию принятого сигнала, усиление

ипреобразованиеегочастоты. АЦП преобразует аналоговый сигналв цифровой код, который подается на цифровой приемник.

Последний представляет собой цифровой процессор (ЦП), осуществляющий цифровую обработку принятого сигнала по заданному алгоритму. Такой алгоритм включает поиск сигнала по диапазону, дополнительное преобразование частоты, фильтрацию, детектирование и т.д. Если необходим сигнал в аналоговой форме, то на выходе приёмника включается ЦАП. Перестройка приемника по различным каналам производится с помощью синтезатора частоты (СЧ). Управление работой

ирегулировку новейших приёмников выполняют с помощью микропроцессоров.

52

Сейчас все большее внимание уделяется использованию в бытовой радиоаппаратуре систем управления и оповещения человеческим голосом (голосовой интерфейс). Использование команд оператора подтверждается синтезированным человеческим голосом. Сигнал управления превращается в цифровую форму и поступает в микропроцессор управления. Решение многих проблем ближайшего периода развития приемников будет зависеть в основном от разработки новых интегральных схем, а также от внедрения цифровой техники во все узлы радиосистем.

Радиопередающие устройства

Обобщенная структурная схема. Структурная схема современного передатчика (рисунок 4.30) состоит:

–из источника кодированного сообщения, которое требуется передать;

–задающего генератора частоты (ЗГ), создающего высокостабильное гармоническое колебание сравнительно низкой частоты;

–синтезатора сетки несущих частот;

–модулятора;

–усилителя мощности (УМ), который увеличивает мощность промодулированной несущей за счет внешнего источника энергии;

–выходной (согласующей) цепи и антенны.

Источник питания и рамку обычно не показывают на структурных электрических схемах.

Рисунок 4.30 – Обобщенная структурная схема современного передатчика

Тенденции и перспективы развития радиопередающих устройств. Боль-

шинство каскадов современных передатчиков выполняют только на цифровых и аналоговых микросхемах. Электронные (мощные усилительные лампы)и дискретные полупроводниковые приборы (в основном полевые транзисторы) используют лишь в выходных каскадах усилителей передатчиков большой и сверхбольшой мощности.

53

Если передатчик работает на одной фиксированной частоте, задающий генератор содержит соединенные последовательно маломощный высокостабильный кварцевый автогенератор и несколько усилительных каскадов. Когда число рабочих частот передатчика не более десяти, в тракте возбудителя используют несколько кварцевых автогенераторов или один автогенератор с переключающимися кварцевыми резонаторами. В настоящее время в качестве задающих генераторов возбудителя в основном применяют цифровые синтезаторы частот. Высокостабильные задающие генераторы на основе синтезаторов частот могут работать в диапазоне 100–200 МГц. Изготовление передатчиков с кварцами на более высокие частоты связано с серьезными технологическими проблемами.

Применение умножителей частоты в трактах радиопередатчиков позволяет и в диапазоне СВЧ 1–100 ГГц получать колебания, стабильность которых теоретически определяется кварцевым резонатором задающего генератора. В передатчиках низкочастотного диапазона обычно используются транзисторные умножители частоты, однако с увеличением несущей частоты и переходом в область СВЧ параметры транзисторных умножителей частоты и усилителей мощности заметно ухудшаются. Поэтому в выходных каскадах передатчиков выгодно применять варакторные умножители частоты. Наиболее важными показателями умножителей частоты, применяемых в радиопередающих устройствах, являются коэффициент умножения, выходная колебательная мощность, коэффициент гармоник и КПД.

Требуемые уровни выходной мощности передатчиков современных систем передачи информации в некоторых случаях на три-пять порядков превышают максимальную мощность, генерируемую электронными приборами. Этот разрыв между мощностью радиопередатчика и мощностью единичного генератора стал особенно ощутим при переходе к полупроводниковым приборам.

Вместе с тем необходимая мощность СВЧ-передатчиков в непрерывном режиме работы достигает нескольких киловатт. Но даже в СВЧ-передатчиках мощностью в десятки ваттмощностьполупроводниковогоприбора вомногихслучаяхоказывается меньше в несколько раз. В этих случаях требуемые уровни выходной мощности передатчиков получают методами сложения мощностей нескольких идентичных полупроводниковых узлов выходных каскадов.

Известны три основных способа суммирования мощностей однотипных генераторов (рисунок 4.31):

–с помощью многополюсных сумматоров;

–путем сложения сигналов в пространстве с помощью фазированных антенных решеток (ФАР);

–в общем резонаторе.

При первом способе к специальному многополюсному сумматору параллельно подключают большое число однотипных синхронизированных через делитель мощности входного сигнала генераторов (или усилителей мощности), мощность сигналов которых поступает в общий выходной сигнал, связанный с нагрузкой (рисунок4.31,а). Однакоприэтомухудшается устойчивостьусилительныхкаскадов, а выходная мощность передатчика оказывается заметно ниже их суммарной

54

мощности. Повышение выходной мощности передатчика в нагрузке и взаимную развязку генераторов (усилителей) обеспечивают мостовыми схемами сложения мощностей. В таких сумматорах каждый активный прибор работает самостоятельно на оптимальную для него нагрузку, а режимы работы всех каскадов не зависят друг от друга. При этом повышается надежность работы передатчика, поскольку выход из строя одного из нескольких усилительных каскадов лишь снижает мощность в передающей антенне.

в

Рисунок 4.31 – Методы суммирования мощностей в передатчиках радиосистем:

а– с помощью многополюсных сумматоров; б – путем сложения сигналов

спомощью ФАР; в – в общем резонаторе

При второмспособесложениемощностей колебаний происходитв пространстве с помощью ФАР, состоящей из большого числа определенным образом ориентированных элементарных излучателей, каждый из которых возбуждается от самостоятельного усилителя мощности или генератора (рисунок 4.31,б). Все сигналы, подводимые к излучателям, идентичны, за исключением значений начальных фаз, связанных между собой определенным законом. Излучатели располагают так, чтобы электромагнитная связь между ними была слабой. Если сигналы излучателей сформированы соответствующим образом, то мощность, излучаемая ФАР, складывается в пространстве и практически равна сумме мощностей всех усилителей мощности. При этом возникает задача по стабилизации и синхронному управлению фронтом фаз ряда сигналов одинаковой структуры.

При третьем способе суммирования сигналы усилителей мощности (генераторов) подводятся к общей колебательной системе (в СВЧ-диапазоне это объёмный резонатор), где и происходит их сложение (рисунок 4.31,в).

55