книги из ГПНТБ / Бобровников Л.З. Радиотехника и электроника учебник

в результате отражения радиоволн от земли распределение поля будет таким же, как и в случае симметричного полуволнового вибратора.

Если высота (длина) антенны отличается от — , то антенна считается

расстроенной и мощность излучения уменьшается. Для настройки необходимо последовательно с антенной включать индуктивность. Напряженность поля, создаваемого несимметричным заземленным вибратором малой высоты т) <^ А, может быть определена как

где Лд , d, к — выражены в метрах. Мощность излучения

8 диапазоне гектометровых, декаметровых и иногда метровых волн в качестве направленных антенн широко используются рамоч­ ные антенны. Напряжение на выходе рамочной антенны

Если напряженность поля Е выражается в мкв/м, а действующая высота рамки — в м, то максимальное напряжение на выходе рамки

# c m ax = К Е ' МКВ.

Геометрические размеры рамочной антенны могут быть суще­ ственно уменьшены, если в ней применить сердечники из феррита.

Действующая высота ферритовой антенны может быть определена

где S — сечение ферритового стержня, см2 ;

1Цф — эффективная магнитная проницаемость ферритового стержня. Эффективная магнитная проницаемость ферритового сердечника зависит не только от его начальной магнитной проницаемости |ян,

290

но и от отношений диаметра стержня й к его длине I и длины намотки к к длине стержня /.

Рассмотренные рамочные антенны хотя и являются направлен­ ными, но не позволяют получить однонаправленную диаграмму на­ правленности. Однонаправленные антенны с малой шириной угла раскрыва могут быть получены за счет применения нескольких на­ строенных полуволновых вибраторов, размещенных таким образом, что поля, создаваемые вибраторами в одном направлении, склады­ ваются, а во всех других — вычитаются. В декаметровом и гектометровом диапазонах в качестве направленных приемных (реже пере­ дающих) антенн используются антенны бегущей волны, или ромбиче­ ские антенны. Антенна бегущей волны представляет собой длинный (I = К, 2Х, ЗК) провод, подвешенный на 1—3 м над землей в напра­ влении иа передатчик (рис. 154, д). Один из концов провода присоеди­ няется к приемнику, другой нагружается на сопротивление R, рав­ ное волновому. При воздействии электромагнитной волны, направлен­ ной вдоль провода, в нем появляется бегущая волна, которая рас­ пространяется или к приемнику, или к нагрузочному сопротивлению. Это приводит к тому, что на вход приемника сигнал поступает лишь тогда, когда нагруженный конец антенны направлен на передатчик.

§ 89. Передающие устройства систем связи

Передающие устройства систем радиосвязи и электросвязи в об­ щем случае отличаются лишь тем, что к выходу радиопередатчика подключается передающая антенна, в то время как к выходу электропередатчика подключается или проводная, или кабельная линия связи. Также подобны радиоприемные и электроприемные устрой­ ства.

Впередающем устройстве происходит преобразование сообщения

всигнал, который может быть передан по данной линии связи. Преобразование в общем случае может состоять из трех основных

операций: а) превращения сообщения в электрический сигнал; б) преобразования структуры сигнала по заданному принципу — кодирования сигнала; в) перевода кодированного электрического сигнала в форму, наиболее благоприятную для передачи по линии связи с заданными параметрами, — модуляции (рис. 155, а).

Превращение сообщения в электрический сигнал осуществляется с помощью преобразователей — сейсмоприемников, микрофонов, газоразрядных счетчиков и т. д.

Операция кодирования обычно производится над дискретными

в цифровой форме в виде набора комбинаций из элементарных сигна­ лов, осуществляемого по заданному закону.

Сообщения, преобразованные в электрические сигналы, не всегда могут быть переданы непосредственно по линии связи. В частности,

не представляется возможным передать непосредственно по радио сейсмический сигнал, так как главная часть его спектра сосредото­ чена в сравнительно низкочастотной области 1—103 гц. Для радио-

—Г~

U,(t)

Усилитель

РИС. 155.

передачи столь низких частот потребовались бы слишком громоздкие антенные системы, да и сигнал был бы сильно искажен, поскольку условия распространения спектральных составляющих сигнала, отли­ чающихся по частоте в 103 раз, существенно различные. Или, напри-

292

мер, передавая непосредственно по проводной линии связи речевые сигналы со спектром, простирающимся от 102 —104 гц, мы вынуж­ дены были бы передавать по одной линии только один речевой сигнал, что экономически невыгодно, так как полоса пропускания провод­ ных и кабельных линий связи значительно шире.

Эти трудности устраняются, если воспользоваться рассмотренной выше операцией модуляции.

При передаче непрерывных сигналов передаются все их мгновен­ ные значения. Превращение непрерывного сообщения в сигнал пред­ ставляет две операции — преобразование сообщения в непрерывный электрический сигнал и неренос спектра низкочастотного сигнала в высокочастотную область посредством модуляции. При этом моду­ лированный сигнал можно считать непрерывным, если верхняя гра­ ничная частота спектра сигнала значительно меньше несущей час­ тоты модулированного колебания.

В качестве модулируемого колебания несущей частоты обычно

ниями низкочастотного сигнала амплитуду (амплитудная модуля­ ция), частоту (частотная модуляция) или начальную фазу (фазовая модуляция) несущего гармонического колебания.

При амплитудной модуляции происходит линейное преобразова­ ние спектра исходного сигнала путем перенесения его в область вы­ соких частот. При этом каждая спектральная составляющая исход­ ного сигнала представляется в виде двух, с частотами равными сумме и разности частот несущей и исходной. Это приводит к тому, что абсолютная ширина спектра амплитудно-модулированного сигнала в 2 раза шире спектра исходного. Однако относительная ширина спектра, определяемая как отношение верхней QB (или нижней Q„) граничной частоты к средней частоте спектра

как угодно мала, так как несущая частота может быть сколь угодно высока. Поэтому распространение амплитудно-модулированного сиг­ нала в диспергирующей среде (ионосфере, кабельной линии и т. д.) может рассматриваться как распространение несущего сигнала с частотой со0 , а искажения за счет неодинакового распространения составляющих боковых полос в большинстве случаев могут не учиты­ ваться. В ряде случаев удвоение ширины спектра модулированного

293

сигнала нежелательно. В частности, в проводных и кабельных ли­ ниях связи удвоение ширины спектра приводит к тому, что пропуск­ ная способность уменьшается по меньшей мере в 2 раза. Как уже отмечалось, обе боковые полосы с информационной точки зрения равноценны и ни одна из них не несет какой-нибудь дополнительной информации об исходном сигнале. Поэтому, если передавать только одну боковую полосу модулированного сигнала (верхнюю или ниж­ нюю), количество передаваемой информации не изменяется (хотя качество передачи может в некоторых случаях измениться). Это при­ водит к тому, что в настоящее время широко применяется однополос­ ная амплитудная модуляция (ОБП), при которой передается одна боковая полоса, а вторая полоса и несущая частота подавляются.

Помимо амплитудной модуляции применяются фазовая и частот­ ная модуляции. При фазовой модуляции одновременно с изменением сигнала происходит изменение фазы несущего колебания

U<t,u(t) = U0cos [co0* + Aq>(01-

При частотной модуляции происходит изменение несущей час­ тоты со0 на величину, прямо пропорциональную амплитуде исходного сигнала, так что частота модулированного сигнала колеблется около своего среднего значения

©чм (t) = м0 -f-ЛсоС (t).

Как при частотной, так и при фазовой модуляции амплитуда моду­ лированного сигнала остается постоянной. Эта особенность ЧМ и ФМ очень важна, так как для частотно-модулированных и фазово-моду- лированных сигналов практически любые нелинейные изменения амплитуды не приводят к искажению переносимой ими информации.

Кроме рассмотренных методов модуляции часто применяется двойная модуляция. При этом исходный сигнал сначала модулирует

щее колебание с частотой со0 . Двойная модуляция обычно приме­ няется в многоканальных линиях связи, она обозначается с помощью двойных символов, например A M — A M или ЧМ—AM. Символ A M — A M означает, что модуляция поднесущей и модуляция несущей является амплитудной. Если поднесущая модулирована по частоте, а несу­ щая — по амплитуде, это обозначается как ЧМ—AM.

В общем случае передатчик с амплитудной модуляцией может быть выполнен по схеме на рис. 155, б. В первом варианте модуляция осуществляется в нелинейном предоконечном каскаде, на вход кото­ рого подается напряжение несущей частоты от специального высоко­ стабильного задающего генератора, называемого возбудителем, и на­ пряжение исходного сигнала. Модулированный сигнал усиливается с помощью усилителя мощности и подается в антенну (или в провод­ ную линию связи). Недостатком первого варианта является то, что

294

усилитель мощности модулированного сигнала должен работать в относительно линейном режиме во избежание появления искаже­ ний, вследствие чего к. п. д. его не может быть большим. Во втором варианте амплитудная модуляция осуществляется непосредственно в усилителе мощности, работающем в режиме класса С (от запирания до насыщения) с высоким к. п. д.

При частотной модуляции изменение частоты должно происходить в соответствии с изменением амплитуды сигнала. Одним из простых способов осуществления частотной модуляции является способ, осно­ ванный на применении варикапа, который включается в колебатель­ ный контур LC возбудителя передатчика. Изменение амплитуды напряжения исходного сигнала Uc (t) приводит к изменению емкости конденсатора, что влечет за собой изменение генерируемой

Любые непрерывные сигналы могут быть преобразованы в дис­ кретные со сколь угодно малой утратой переносимой информации. Дискретизация непрерывных сигналов позволяет в значительной степени увеличить пропускную способность систем передачи информа­ ции за счет временного уплотнения. При временном уплотнении благодаря тому, что сигналы передаются не непрерывно, а лишь в сравнительно короткие промежутки времени, разделенные паузой, на одной и той же несущей частоте можно передавать большое число различных сигналов (рис. 155, г). Передача сигналов, квантованных лишь во времени, осуществляется с помощью непрерывно-импульс­ ной модуляции, при которой параметры импульсов отображают характер непрерывно изменяющихся сигналов. Передача сигналов, квантованных и во времени, и по уровню, сводится к передаче цифро­ вых последовательностей с помощью кодов.

Основными видами непрерывно-импульсной модуляции являются: а) амплитудно-импульсная модуляция (АИМ); б) широтно-импульс- ная модуляция (ШИМ), называемая также импульсной модуляцией

Структурная схема передатчика с временным уплотнением и с им­ пульсной модуляцией дается на рис. 155, д. Из рассмотрения этой блок-схемы видно, что в передатчике применяется двухкратная мо­ дуляция — сначала непрерывные сигналы Ucl (t), Uc2 (t), Uc3 (t) модулируют последовательность тактовых импульсов (по амплитуде, длительности, фазе или частоте), затем промодулированные импульсы в свою очередь модулируют обычными способами высокочастотную несущую (по амплитуде, частоте или фазе).

АИМ в настоящее время применяется редко, так как ее помехо­ устойчивость ниже, чем помехоустойчивость ШИМ, ФИМ и ЧИМ. Кроме того, при ШИМ, ФИМ и ЧИМ меняется ширина, фаза или частота следования тактовых импульсов при неизменной амплитуде. Это позволяет не опасаться нелинейных амплитудных искажений

295

при передаче и приеме и использовать лампы и транзисторы в нели­ нейных режимах, с высоким к. п. д.

Сейчас применяется наиболее часто ШИМ или ФИМ. Частотноимпульсная модуляция применяется сравнительно редко, поскольку она не имеет каких-либо существенных преимуществ перед ФИМ и ШИМ, а применение ее в значительной мере усложняет как прием­

Преобразованные в двоичный код сигналы могут передаваться одним из рассмотренных способов импульсной модуляции. Поскольку в двоичном коде число передается сочетанием двух элементарных

в то время как при единице он может излучать максимальную мощ­ ность или при 0 частота несущей может быть / х , при 1 — / 2 и т. д. Это приводит к тому, что на приемном конце линии связи необходимо различать лишь одно из возможных (заранее известных) состояний. Поэтому помехоустойчивость систем передачи сигналов в двоичном коде значительно выше, чем систем с непрерывной и непрерывноимпульсной модуляцией.

296

В настоящее время для передачи кодированных двоичным кодом сигналов наиболее широко применяются частотная и фазовая модуля­ ции, носящие названия частотная и фазовая телеграфия. Частотная телеграфия (ЧТ) осуществляется или сдвигом частоты несущей, или сдвигом частоты поднесущей. Частотная телеграфия сдвигом частты несущей реализуется с помощью схемы, представленной на рис. 156, а. Передача кодированных сигналов происходит следующим образом. Если на вход электронного ключа от первого модулятора подается импульс, отображающий 1, ключ подключает первый возбудитель, генерирующий частоту со1 ? ко входу усилителя мощности и в линию связи поступает колебание с частотой сох . Когда от первого модуля­ тора приходит импульс, отображающий 0, к усилителю мощности подключается возбудитель частоты со0 . Таким образом, передатчик в соответствии с двоичным сигналом посылает в линию связи колеба­ ния то с частотой сох , то с частотой со0 .

Помимо частотной телеграфии сдвигом частоты несущей приме­ няется частотная телеграфия на поднесущей. ЧТ на поднесущей применяется в сравнительно узкополосных линиях связи, скорость передачи в которых сравнительно невелика — 50—1000 дв. зн/сек.

передатчика, блок-схема которого приводится на рис. 156, в. В соот­ ветствии с кодовыми импульсами электронный ключ подключает к усилителю мощности несущее колебание или с нулевой фазой, или сдвинутое на 180°.

Кроме того, сигналы в цифровой форме могут передаваться с по­ мощью дельта-модуляции и ее модификаций. При дельта-модуляции передается не сам сигнал, а его приращение или только знак прира­ щения. Это позволяет в значительной степени увеличить помехоустой­ чивость и •пропускную способность многоканальных систем связи.

Помимо передачи сигналов в простом двоичном коде в некоторых специальных случаях применяются сложные корректирующие коды. Корректирующими кодами принято называть такие коды, которые позволяют обнаруживать и исправлять ошибки, возникающие при

Приемное устройство, на вход которого поступают модулирован­ ные сигналы с проводной или кабельной линии связи или с прием­ ной антенны (в общем случае выполненной идентично передающей),

б) декодирующее устройство; в) преобразователь сигнала в сообще­

297

декодирование происходят при сравнительно больших уровнях сиг­ нала (единицы—десятки вольт), неотъемлемой частью любого прием­ ного устройства является усилитель с весьма большим коэффи­ циентом усиления. Усилитель должен обладать хорошей частотной избирательностью — способностью выделять сигналы с заданной полосой частот на фоне других сигналов, а также на фон е_ шумов и случайных помех.

Это приводит к тому, что большая часть приемных устройств, рассчитанных на прием сигналов в широком диапазоне частот, выпол­ нена по супергетеродинной схеме. В супергетеродинных приемниках спектр принимаемого сигнала переносится в область частот, в которой наилучшим образом можно произвести усиление. Это осуществляется

Uc(t)

Г?теродин

Рис. 157.

за счет гетеродинирования — перемножения напряжения принятого сигнала на напряжение местного гетеродина, частота которого сог

Гетеродинирование возможно не только в случае амплитудномодулированных непрерывных сигналов, при любом способе модуля­ ции гетеродинирование происходит подобным образом — каждая спектральная составляющая a>k любого модулированного сигнала расщепляется на две составляющие, которые переносятся в область частот ю х и со2 .

298

с антенны, усиливается избирательным усилителем высокой частоты. Усилитель высокой частоты обычно имеет один-два резонансных усилительных каскада, имеющих полосу пропускания, оптимально согласованную со спектром принимаемого сигнала. Усилитель высо­ кой частоты осуществляет предварительное выделение сигнала из смеси других сигналов и случайных помех. Усиленный сигнал посту­ пает на перемножитель, называемый преобразователем частоты, на который также подается напряжение от гетеродина. Частота работы гетеродина выбирается выше или ниже частоты сигнала, но так, чтобы разностная (или суммарная) частота была равна выбранной промежу­ точной частоте.

Основное усиление сигнала происходит в усилителе промежу­ точной частоты. Благодаря тому, что при приеме сигналов любых частот усилитель промежуточной частоты не перестраивается, а ра­ ботает все время на одной и той же частоте, возможно выполнить его очень качественно, с заданной полосой пропускания и большой крутизной спада амплитудно-частотной характеристики за пределами полосы пропускания.

Усилитель промежуточной частоты состоит обычно из нескольких избирательных каскадов, выполненных с использованием LC кон­ туров или пьезокварцевых фильтров. Полоса пропускания и форма амплитудно-фазовой характеристики в зависимости от характера принимаемых сигналов может быть различной. Усиленный сигнал поступает на детектор, в котором происходит выделение исходного низкочастотного сигнала. Детектирование непрерывных A M , ЧМ и ФМ сигналов производится с помощью A M , ЧМ и ФМ детекторов, рассмотренных выше (§ 68, 69).

Для увеличения помехоустойчивости приемного устройства ЧМ сигналов в усилителях промежуточной частоты применяют ампли­ тудные ограничители. Поскольку при частотной модуляции ампли­ туда ЧМ сигнала постоянна, а меняется лишь частота несущей, применение амплитудного ограничителя в приемном устройстве позволяет избавиться от различных импульсных помех, вызвающих изменение амплитуды принимаемого ЧМ сигнала.

Детектирование импульсно-модулированных сигналов совер­ шается в два этапа — сначала производится соответствующее детек­ тирование по несущей (промежуточной) частоте, в результате чего выделяются импульсы, амплитуда, длительность или временное по­ ложение которых отображает передаваемый исходный сигнал. После

в случае многоканальной системы связи с временным уплотнением. Восстановление непрерывности сигнала в случае АИМ и ДИМ осуще­ ствляется простым интегрированием. При фазово-импульсной моду­ ляции восстановление непрерывного сигнала производится несколько

299