Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Схемотехника телекоммуникационных устройств. Учебное пособие.pdf
1
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Тамбовский государственный технический университет»
З. М. СЕЛИВАНОВА, Н. Г. ЧЕРНЫШОВ
СХЕМОТЕХНИКА
ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ
УСТРОЙСТВ
Утверждено Учёным советом университета
в качестве учебного пособия для студентов
3, 4 курсов дневного, очно-заочного, ускоренного и дистанционного
обучения по направлениям 11.03.02 «Инфокоммуникационные
технологии и системы связи», 11.03.03 «Конструирование и
технология электронных средств», 11.03.01 «Радиотехника»
Учебное электронное издание
Тамбов
Издательский центр ФГБОУ ВО «ТГТУ»
2020
УДК 621.3(075.8)
С29
ISBN 978-5-8265-2175-5
Представлены теоретические и практические сведения по телекоммуникационным системам и устройствам, рекомендации по проведению
практических занятий и лабораторных работ по дисциплине «Схемотехника телекоммуникационных устройств», в которых исследуются аналоговые, импульсные и цифровые телекоммуникационные устройства.
Предназначено для студентов 3, 4 курсов дневного, очно-заочного,
ускоренного и дистанционного обучения по направлениям 11.03.02
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи», 11.03.03
«Конструирование и технология электронных средств», 11.03.01 «Радиотехника».
ISBN 978-5-8265-2175-5
© Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Тамбовский государственный технический
университет» (ФГБОУ ВО «ТГТУ»), 2020
ББК з 973.26-04я73
С29
Р е ц е н з е н т ы :
Доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой «Радиотехника» ФГБОУ ВО «ТГТУ»
А. П. Пудовкин
Кандидат технических наук, доцент, начальник 123 кафедры
передающих и приемных устройств (средств связи и РТО)
ФГКВОУ ВО «Военный учебно-научный центр
Военно-воздушных сил
«Военно-воздушная академия имени профессора
Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина»
А. М. Межуев
Селиванова, З. М.
Схемотехника телекоммуникационных устройств [Электронный ресурс] : учебное пособие / З. М. Селиванова, Н. Г. Чернышов. – Тамбов : Издательский центр ФГБОУ ВО «ТГТУ», 2020. –
1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Системные требования : ПК
не ниже класса Pentium II ; CD-ROM-дисковод ; 44,7 Mb ; RAM ;
Windows 95/98/XP ; мышь. – Загл. с экрана.
УДК 621.3(075.8)
ББК з 973.26-04я73
Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком.
Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.
2
3
ВВЕДЕНИЕ
Учебное пособие посвящено изложению основных теоретических
сведений о телекоммуникационных системах и устройствах, радиоэлектронных средствах, практических сведений по изучению устройств
цифровой и аналоговой схемотехники для выполнения практических
занятий и лабораторных работ при изучении учебной дисциплины
«Схемотехника телекоммуникационных устройств» в соответствии с
профилем обучения «Системы радиосвязи и радиодоступа».
В учебном пособии «Схемотехника телекоммуникационных
устройств» рассмотрены вопросы анализа и синтеза аналоговых
устройств на основе использования современной элементной базы
электроники, компьютерной техники и программных средств, информационных технологий, которые будут применяться студентами при
разработке телекоммуникационных систем и устройств в будущей
профессиональной деятельности.
Учебное пособие направлено на формирование у студентов профессиональных компетенций по самостоятельному проведению экспериментальных исследований и использованию основных приемов обработки и представления полученных данных при исследовании телекоммуникационных устройств, изучению методик сбора и анализа информации для формирования исходных данных при проектировании
средств и сетей связи и их элементов, телекоммуникационных
устройств.
В пособии приведены рекомендации для выполнения практических и лабораторных работ по изучению принципов функционирования и расчета технических параметров и характеристик аналоговых и
цифровых телекоммуникационных устройств. При выполнении лабораторных работ исследуются двухтактные усилители мощности при
воздействии дестабилизирующих факторов, аналоговые и импульсные
устройства на базе операционного усилителя, различные виды активных фильтров, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, последовательностные и комбинационные цифровые устройства.
Учебное пособие «Схемотехника телекоммуникационных устройств»
рекомендуется студентам дневного, очно-заочного, ускоренного и дистанционного обучения, изучающим схемотехнику электронных
средств согласно образовательным программам направлений 11.03.02
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи», 11.03.03
«Конструирование и технология электронных средств», 11.03.01 «Радиотехника» в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом высшего образования направлений подготовки
бакалавра.
4
1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
О ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ
И УСТРОЙСТВАХ
Современные телекоммуникационные системы служат для передачи информации в цифровом виде удаленным пользователям телекоммуникационной сети на значительные расстояния.
Телекоммуникационные системы позволяют осуществлять телевизионное вещание и персональную связь, реализовать компьютерную сеть.
Передача информации выполняется с использованием кабельных телекоммуникационных систем, современных оптоволоконных,
эфирных и спутниковых систем [1].
В соответствии с видом кодирования передаваемой информа-
ции телекоммуникационные каналы разделяются на аналоговые и
цифровые.
Оптическая телекоммуникационная система представляет собой
общую сеть, состоящую из аппаратных структурных компонентов,
которые соединены между собой оптоволоконным кабелем с повышенной пропускной способностью сигналов. Передача сигналов в
кабеле осуществляется в инфракрасном диапазоне излучений.
В настоящее время широко применяются многоканальные телекоммуникационные системы на основе радиорелейных, кабельных,
волноводных и космических линий связи. В многоканальных системах
передача кодированных сигналов на гигантские расстояния выполняется со скоростью в несколько гигабит в секунду.
Многоканальные телекоммуникационные системы обеспечивают
стабильную работу в результате автоматического переключения на
рабочие каналы при отключении неисправного канала.
Функционирование телекоммуникационной системы основано на
серверах, предназначенных для обработки и хранения информационных данных, которые необходимы пользователям. Поисковые запросы
реализуются пользователями через персональные компьютеры. Передача информации в телекоммуникационных сетях осуществляется с
использованием коаксиальных, оптоволоконных и беспроводных каналов связи. Передача и прием данных в телекоммуникационных системах выполняется с помощью сетевого оборудования: адаптеров,
модемов, концентраторов, маршрутизаторов.
Принцип действия телевизионных систем основан на применении в
структуре системы передатчика и приемника, в которых для обеспечения качества передачи информации используются цифровые сигналы.
5
Компьютерная система состоит из объединенных с помощью кабельного соединения персональных компьютеров в общую информационную среду с использованием соответствующего программного
обеспечения.
При разработке телекоммуникационных систем большое внимание уделяется информационной безопасности в процессе передачи
данных по информационным каналам системы. Нарушение безопасности может быть в результате использования специального программного обеспечения или технического повреждения каналов передачи
информации.
Основными направлениями проектирования телекоммуникационных устройств и систем являются скорость, качество, надежность и
достоверность передаваемой информации, применение современных
схемотехнических решений, аналоговых и цифровых устройств.
6
2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СХЕМОТЕХНИКЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
2.1. ПЕРЕДАЧА И ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННОГО СИГНАЛА
Схемотехника радиоэлектронных устройств – это процесс проек-
тирования электронных устройств с использованием аналоговых и
цифровых элементов электроники, радиопередатчиков и радиоприемников, генераторов, усилительных устройств [2, 3].
В схемотехнике радиопередатчиков рассматриваются вопросы
генерации и модулирования формируемых сигналов в соответствующем частотном диапазоне. В схемотехнике радиоприемников исследуются процессы формирования поступившего сигнала.
Анализ функционирования схемотехнических устройств осуществляется с использованием электронных схем. На рассматриваемых схемах обозначаются основные составляющие структурные компоненты радиоэлектронного устройства с указанием межкомпонентных связей.
К основным электронным схемам относятся: структурная, функциональная и принципиальная электрическая. Структурная схема
предназначена для представления принципа действия радиоэлектронного устройства и структурных компонентов. Функциональная схема
отображает процесс функционирования устройства, передаваемые
сигналы при передаче информации между отдельными компонентами
электронного устройства. На принципиальной электрической схеме
показаны все применяемые электрорадиоэлементы, интегральные
микросхемы, входящие в состав радиоэлектронного устройства и позволяющие определить принцип действия устройства.
Процесс передачи и преобразования информационного сигнала от
источника сообщения к пункту его приема представлен на структурной схеме (рис. 2.1).
Кодирующее устройство (кодер) формирует код передаваемого
сообщения, которое преобразуется в соответствующий код, представленный в виде электрических величин (ток, напряжение) или радиосигналов. Модулятор преобразует закодированное сообщение в сигнал. Передатчик формирует сигнал для передачи по линиям связи
(в виде кабельных соединений или свободного пространства) к приемнику. Приемник выполняет функции выделения полезного сигнала,
усиления и устранения шумов. Демодулятор осуществляет преобразование закодированного сигнала в сообщение. Модулятор и демодулятор совместно образуют модем. Декодер (декодирующее устройство)
предназначено для преобразования закодированной информации в сообщение. Кодер и декодер представляют собой кодек.
7
Рис. 2.1. Структурная схема передачи сообщения от источника сообщения
к пункту приема:
ИС – источник сообщения; К – кодер; М – модулятор (модем); ПРД передат-
чик; ЛС – линия связи; ПРМ – приемник; ДМ – демодулятор; ДК – декодер;
ОПС – объект, принимающий сообщение
В состав канала связи входят передатчики, приемники, модемы,
кодеки и линии связи. Систему связи образуют источник и получатель
сообщения, а также канал связи.
2.2. РАДИОЧАСТОТНЫЙ И РАДИОВОЛНОВЫЙ ДИАПАЗОНЫ
Передача низкочастотного сигнала осуществляется с использованием несущей частоты в виде гармонического колебания, которое имеет следующий вид:
)cos()( tUtU
, (2.1)
где
)(tU
– высокочастотное гармоническое колебание; U – амплиту-
да колебания; – частота колебания; t – время; – фаза колебания.
При передаче низкочастотного сообщения выполняется амплитудная, частотная или фазовая модуляция несущей частоты. В результате формируется радиосигнал, т.е. сигнал, создаваемый на основе одного из видов модуляции (2.1).
Необходимо, чтобы значение несущей частоты неоднократно
превышало частоту модулирующего низкочастотного сигнала. В качестве несущей частоты применяются не только гармонические колебания, но и радиоимпульсы, шумоподобные сигналы и др.
Основные термины и определения, классификация радиочастот и
радиоволн приведены в Межгосударственном стандарте ГОСТ 24375–80
«Радиосвязь. Термины и определения».
Основные термины и определения:
радиосвязь – электросвязь, реализуемая с помощью радиоволн;
наземная радиосвязь – радиосвязь, при формировании которой
применяются радиостанции, расположенные на Земле и в земной атмосфере, кроме космической радиосвязи;
8
космическая радиосвязь – радиосвязь, для создания которой используются космические радиостанции, отражающие спутники, а также ряд космических объектов;
спутниковая радиосвязь – космическая радиосвязь, реализуемая
среди земных радиостанций в результате ретрансляции радиосигналов
с помощью спутников Земли;
симплексная радиосвязь – двусторонняя радиосвязь с поочеред-
ной передачей и приемом используемых радиостанций;
дуплексная радиосвязь – двусторонняя радиосвязь с одновремен-
ной передачей и радиоприемом;
радиоволны – электромагнитные волны с частотой до 3 ТГц, ко-
торые распространяются в пространстве без искусственного волновода, что соответствует длине волны от 10 млн км до 0,1 мм; радиоволны
применяются для реализации стационарной и подвижной радиосвязи,
радиовещания, радиолокации, радионавигации, спутниковой связи,
организации беспроводных компьютерных сетей и др.
К диапазону звуковых частот относится низкочастотный диапазон. Высокочастотный диапазон включает радиодиапазон свыше
30 кГц. В российских литературных источниках к диапазону сверхвысокой частоты (СВЧ) относят частотные диапазоны от 0,3 до 300 ГГц:
УВЧ, СВЧ и КВЧ. В зарубежной литературе указанный частотный
диапазон относят к микроволнам.
В российских научно-технических публикациях частотные диапазоны классифицируют следующим образом: сверхдлинные волны
(СДВ) – мириаметровые; длинные волны (ДВ) – километровые; средние волны (СВ) – гектометровые; короткие волны (КВ) – декаметровые; ультракороткие волны (УКВ) – с длинной волны менее 10 м.
В соответствии с Международным союзом электросвязи и Межгосударственным стандартом (ГОСТ 24375–80) радиочастоты и радиоволны разделены на диапазоны, указанные в табл. 2.1 [4, 5].
2.1. Классификация диапазонов радиочастот и радиоволн
Длины
волн
Название
волн
Диапазон
частот
Название
частот
Применение
100…
10 мм
Декамегаметровые
3…30 Гц
Крайне
низкие
(КНЧ)
Связь с подводными
лодками, геофизические исследования
9
Продолжение табл. 2.1
Длины
волн
Название
волн
Диапазон
частот
Название
частот
Применение
10…1 мм
Мегаметровые
30…300 Гц
Сверхнизкие (СНЧ)
Связь с подводными
лодками, геофизические исследования
1000…
100 км
Гектокилометровые
300…
3000 Гц
Инфранизкие
(ИНЧ)
Связь с подводными
лодками
100…
10 км
Мириаметровые
(СДВ)
3…30 кГц
Очень
низкие
(ОНЧ)
Служба точного времени, радиосвязь с
подводными лодками
10…1 км
Километровые (ДВ)
30…
300 кГц
Низкие
(НЧ)
Радиовещание, радиосвязь земной волной, навигация
1000…
100 м
Гектометровые (СВ)
300…
3000 кГц
Средние
(СЧ)
Радиовещание и радиосвязь земной волной и ионосферная
100…10 м
Декаметровые (КВ)
3…30 МГц
Высокие
(ВЧ)
Радиовещание и радиосвязь ионосферная, загоризонтная
радиолокация, рации
10…1 м
Метровые
волны
(УКВ)
30…
300 МГц
Очень
высокие
(ОВЧ)
Телевидение, радиовещание, радиосвязь
тропосферная и прямой волной, рации
10…1 дм
Дециметровые
300…
3000 МГц
Ультравысокие (УВЧ)
Телевидение, радиосвязь тропосферная и
прямой волной, мобильные телефоны,
рации, УВЧ-терапия,
микроволновые печи,
спутниковая навигация
10…1 см
Сантиметровые
3…30 ГГц
Сверхвысокие
(СВЧ)
Радиолокация, Интернет, спутниковое
телевещание, спутниковая и радиосвязь
прямой волной, беспроводные компьютерные сети
10
Окончание табл. 2.1
Длины
волн
Название
волн
Диапазон
частот
Название
частот
Применение
10…1 мм
Миллиметровые
30…300 ГГц
Крайне
высокие
(КВЧ)
Радиоастрономия,
высокоскоростная
радиорелейная связь,
радиолокация
(метеорологическая,
управление вооружением), медицина,
спутниковая радиосвязь
1…0,1 мм
Децимиллиметровые
300…
3000 ГГц
(ТГц)
1011…
1,510
10
Гц
Гипервысокие
частоты,
длинноволновая
область
инфракрасного
излучения
Экспериментальная
«терагерцовая камера», регистрирующая
изображение в длинноволновом ИК (которое излучается
теплокровными организмами, но в отличие от более коротковолнового ИК
не задерживается
диэлектрическими
материалами)