4. Радиоволны: основные понятия и определения

Радиоволны представляют собой электромагнитные колебания с час­тотами ЗТО³... 3-10 Гц Электромагнитные колебания распространяются в околоземном пространстве со скоростью света с = 300000 км / с. Матема­тически радиоволны описываются гармоническими функциями s(t) = = Aocos(2ic£/ + <ро) = Aocos(fflp/ + <р₀), где Ао - амплитуда,^ - радиочастота (<0р= 2nfff), <ро - начальная фаза. Амплитуда - максимальное отклонение сигнала, измеряется в тех же единицах, что и сам сигнал. Частота /опреде­ляется как число периодов колебаний Г за 1 с,/= 1 / Т, где Т- время одного полного колебания. Единица измерения частоты 1 Гц - один период коле­бания в секунду.

Для измерения радиочастот используют кратные единицы: 1кГц = = 1000 Гц, 1 МГц = 1000 кГц, 1 ГГц = 1000 МГц. Зная частоту/, можно оп­ределить период Т (с) = 1 If, Гц. Зная период Г, можно определить длину волны Х = сТ (длина волны - расстояние, пройденное сигналом за один пе­риод). Длину волны измеряют в метрах или кратных / дольных единицах: километрах, дециметрах, сантиметрах и т.п. Начальная фаза <p₀ показывает, какая часть периода (в градусах или радианах) прошла с момента начала колебания. Фаза колебаний - это угловая мера времени, прошедшего от начала колебаний. Любому значению времени, выраженному в долях периода, соответствует значение фазы, выраженное в угловых единицах- Фаза меняется от 0^е до 360° или от 0 до 2л радиан. Ниже указано соответст­вие значения фазы <р значению времени / (ср₀ = 0):

екая телефонная сеть, система связи между отдельными еостпш1яюишми ЭВМ (процессором, принтером и дисплеем), между несколькими ЭВМ находящимися в одном здании (на судне), - так называемая локальна вычислительная сеть. Но системы проводной связи требуют наличии со. единительных проводов и не могут использоваться для обмена шформацц. ей с подвижными объектами (судами, самолетами, автомобилями! Связь с подвижными объектами возможна только с использованием систем ра­диосвязи. Теоретической базой построения систем радиосвязи Р'ГС яшиет- ся радиотехника Радиотехника - наука, изучающая проблемы передачи и получения информации с помощью радиоволн.

4. РАДИОВОЛНЫ: ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Радиоволны представляют собой электромагнитные колебания с час­тотами 3-10 ... ЗТО¹² Гц. Электромагнитные колебания распространяются в околоземном пространстве со скоростью света с = 300000 км / с. Матема­тически радиоволны описываются гармоническими функциями s(i) = = Aocos(2jifpt + фо) = AoCos(G>p/ + <р₀), где Ао - амплитуда,^ - радиочастота (<Dp= 2к/р1), фо - начальная фаза. Амплитуда - максимальное отклонение сигнала, измеряется в тех же единицах, что и сам сигнал. Частота /опреде­ляется как число периодов колебаний Г за 1 с,/= 1 / Т, где Г- время одного полного колебания. Единица измерения частоты 1 Гц - один период коле­бания в секунду.

Для измерения радиочастот используют кратные единицы: 1кГц = = 1000 Гц, 1 МГц = 1000 кГц, 1 ГГц = 1000 МГц. Зная частоту/ можно оп­ределить период Т (с) = 1 If, Гц. Зная период Т, можно определить длину волны X = сТ (длина волны - расстояние, пройденное сигналом за один пе­риод). Длину волны измеряют в метрах или кратных / дольных единицах: километрах, дециметрах, сантиметрах и т.п. Начальная фаза фо показывает, какая часть периода (в градусах или радианах) прошла с момента начала колебания. Фаза колебаний - это угловая мера времени, прошедшего от начала колебаний. Любому значению времени, выраженному в долях периода, соответствует значение фазы, выраженное в угловых единицах. Фаза меняется от 0° до 360° или от 0 до 2л радиан. Ниже указано соответст­вие значения фазы ф значению времени t (ф₀ = 0):

tt)

i*		\ А
\ /1	г\ /
\J W ,	V7	W V *
л ' *	■ i *■

Рис. 4.1

Н.ч 4s I приведены графики гармонических колебаний, отличаю­щихся шаш^Ш ц>ж\ 4Д частотой (рис, 4.1 б) и фазой (рис. 4.1 в).

В жткш от распросгранения электромагнитные волны

к Екхнфишфх кгсса к vX4^vm^yivmiH с приведенным в таблице (с. 33) Регла­мента радиоаашц угаервденным на Всемирной административной кон-

к Женеве в 1979 г. Ошь >*ежд\ h дшной водны X определяется соотношением

чм --с(нс\roeс -скоростьсвета,е = 310 м/с,

шг^ ы нижн<? ч<к^щтоты в наземной радиосвязи не шшш (дшшые ®аты -ДВ) распространяют­

ся г* кздаь iK^sepxHocnt Земли, характеризуются устойчивыми

paeupoe фодешн* однако сильно ослабевают по мере удаления s4 jus связи на рассгоашш в несколько тысяч кило-

б)

мстрде на ДВ фебуегса бихдьшая мощность передатчиков (десятки - тыся­чи ьмвдт! Ш ягой радиопередатчики ДВ на подвижных объек- щ ае > с ганд&иишо г

t	1/4 Г	2/4 Т	шт	4/4 Т
ф	1/2 п	тс	3/2 я	2 п

На рис. 4.1 приведены графики гармонических колебаний, отличаю­щихся амплитудой (рис. 4.1 а), частотой (рис. 4.1 б) и фазой (рис. 4.1 в).

В зависимости от условий распространения электромагнитные волны классифицируются в соответствии с приведенным в таблице (с. 33) Регла­ментом радиосвязи, утвержденным на Всемирной административной кон­ференции по радиосвязи в Женеве в 1979 г.

Связь между частотой/и длиной волны X определяется соотношением

А^м) /(Гц) = с (м/с), где с - скорость света, с = 310 м/с.

Рис. 4.1

Чрезвычайно низкие и очень низкие частоты в наземной радиосвязи не используются. Низкие частоты (длинные волны - ДВ) распространяют­ся в пространстве вдоль поверхности Земли, характеризуются устойчивыми условиями распространения, однако сильно ослабевают по мере удаления от передатчика. Поэтому для связи на расстоянии в несколько тысяч кило­метров на ДВ требуется большая мощность передатчиков (десятки - тыся­чи киловатт). По этой причине радиопередатчики ДВ на подвижных объек­тах (судах) не устанавливают.

Диапазон длин волн	Наименование волн	Обозначение и наиме­нование частот	Диапазон частот
> 100 км	-	ELF - чрезвычайно низкие	Доли Гц-3 кГц
10 ... 100 км	Мириаметровые	VLF(OH4)-очень низкие	3 ...30 кГц
1... 10км	Километровые (длинные)	LF(H4) - низкие	30...300 кГц
100... 1000 м	Гектаметровые ^средние)	MF(C4) - средние	300... 3000кГц
10... 100м	Декаметровые (короткие)	HF(B4) - высокие	3... 30 МГц
< 10м	Ультракороткие (УКВ)		>30МГц
1... Юм	Метровые	VHF(OB4) - очень высокие	30...300 МГц
10... 100 см	Дециметровые	тЩУВЧ)- ультра­высокие	300... 3000МГц
1 ... 10 см	Сантиметровые	SHF(CB4) - сверхвы­сокие	3... 30 ГГц
1 ... 10мм	Миллиметровые	EHF(KB4)-крайне высокие	30...300 ГГц
0.1 ... 1 мм	Децимиллимет- ровые	HHF(TB4)-гипервы­сокие	300... 3000ГГц

Средние частоты (средние волны — СБ) днем сильно поглощаются верхним слоем атмосферы, ионосферой и быстро ослабевают. Ночью, из-за меньшей концентрации ионов, ослабление радиоволн уменьшается. Поэто­му дальность связи на СВ днем меньше, а ночью больше. При мощности передатчика в несколько сотен ватт дальность связи в диапазоне СВ со­ставляет несколько сотен километров.

Высокие частоты (короткие волны - KB) приходят к антенне радио­приемника, отражаясь от ионосферы. Дальность связи в диапазоне KB со- ) ставляет тысячи километров. В диапазоне KB можно осуществить связь между двумя любыми точками земного шара, используя радиопередатчики мощностью до 1 кВт. До появления систем спутниковой связи КВ-связь была единственным средством связи с судами на большие расстояния. Од­нако для КВ-диапазона характерна неустойчивость связи: условия распро­странения радиоволн зависят от состояния ионосферы, поэтому частоту в диапазоне KB следует выбирать в зависимости от времени года, суток, географического положения объектов.

Ультракороткие волны (УКВ) не отражаются и не поглощаются ионо­сферой. Они проходят сквозь нее подобно лучам света и уходят в космос.

Поэтому связь на УКВ возможна только в пределах прямой видимости (де­сятков километров). Для повышения дальности связи в диапазоне УКВ следует повышать высоту установки передающей и приемной антенн. Для связи с удаленными объектами в диапазоне УКВ используют радиорелей­ные линии: устанавливают цепочку вышек в пределах прямой видимости, на которых помешают приемопередатчики (ретрансляторы). Для связи с подвижными объектами ретрансляторы устанавливают на искусственных спутниках Земли. Связь в УКВ-диалазоне отличается высоким качеством, экономностью (мощность радиопередатчика составляет единицы - десятки ватт), большой емкостью (в диапазоне УКВ можно разместить тысячи ра­диолиний). УКВ используют для телевидения, радиорелейной, сотовой ' и спутниковой связи, а также радионавигации.

5. СИГНАЛЫ В РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Под сигналами в РТС будем понимать изменяющийся во времени электрический ток или напряжение.

5.1. Классификация сигналов

Сигналы, отражающие передаваемое сообщение, могут быть не­прерывными, или аналоговыми, принимающими любое значение в преде­лах заданного диапазона (например, на выходе микрофона), и дискретны­ми, принимающими в заданные моменты времени одно из нескольких раз­решенных значений. Для простоты технической реализации и уни­версальности систем передачи информации, способных передавать различ­ные сообщения, число используемых сигналов принимают равным двум (для удобства анализа их обозначают обычно символами «1» и «О»). Для их представления используются физические величины, способные принимать только два устойчивых состояния (включено / выключено, есть напряжение / нет напряжения, намагничено / не намагничено). Это обеспечивает пре­дельную простоту цифрового сигнала: есть электрический импульс - еди­ница, нет импульса - ноль. В электросвязи символу «1» соответствует, например, высокий уровень напряжения прямоугольной формы длительно­стью to, символу «О» - низкий (нулевой) уровень напряжения той же дли­тельности или импульс напряжения отрицательной полярности (рис. 5.1). Такие сигналы называют цифровыми или двоичными. Для передачи двоич-

35

ных сигналов требуется некоторая полоса частот, которая зависит от скоро­сти передачи /о- Каждый двоичный элемент кодовой комбинации («1» или «О») содержит определенное количество информации, равное 1 биту (bit - Binary DigiT); скорость передачи информации измеряется в значениях бит/с. При длитёлькоЬти Сигналов /о скорость передачи информации соста­вит В = 1 / to бит/с. Например, npk ft -20 мс В = 50 бит/с. Для отображения знаков алфавита с помощью набора <<1» И «0» испййьзуют специальные коды, в которых каждый знак алфавита представляется двоичным числом или кодовой комбинацией.

'" W

Рис. 5.1

При цифровом представлении информации точность зависит от коли­чества разрядов в числах. Увеличивая число этих разрядов, можно обеспе­чить любую наперед заданную точность вычислений. В этом состоит глав­ное преимущество цифровых вычислительных устройств по сравнению с аналоговыми. Современные персональные компьютеры оперируют с 32-разрядными двоичными числами. В ближайшем будущем предстоит переход на 64-разрядную структуру.

Заметим, что любой непрерывный сигнал может быть приближенно представлен в виде цифрового с помощью процедур дискретизации по уровням и квантованию по времени (соответствующее устройство преобра­зования называют аналого-цифровым преобразователем - АЦП) и передан по цифровой системе передачи. Обратная процедура восстановления не­прерывного сигнала из дискретного реализуется с помощью цифроаналого- вого преобразователя (ЦАП).

5.2. Элементы кодирования и теории информации

Кодом называют таблицу, в которой каждому знаку алфавита соответ­ствует набор двоичных символов («1» и «0») - кодовая комбинация. При технической реализации системы передачи цифровой информации элемен­там кода «1» и «0» соответствуют два различных сигнала, например, пря­моугольный импульс положительного напряжения длительностью to секунд

и импульс отрицательного напряжения (или пауза) той же длительности, различают неравномерные и равномерные коды. Примером неравномерно­го кода является код Морзе: знаки алфавита кода Морзе имеют разную длину, причем часто встречающиеся знаки имеют короткие кодовые ком­бинации, редко встречающиеся - более длинные. Например, букве «е» со­ответствует точка, т. е. символ «1»- импульс длительностью fa букве «а» - точка, пауза длительностью /о и тире, длительность которого равна 3 /о. Такая структура кода обеспечивает экономию времени при передаче сооб­щения и имеет музыкальную окраску, что облегчает прием сообщения на слух, но неудобна при автоматическом приеме с помощью специальных технических устройств (телеграфный аппарат, ПК).

Пример кодовых комбинаций кода Морзе (однополярные посылки) показан на рис. 5.2.

1 I 0 1 1 1

«е»—* J • «а»—► | » | | — "]

to to 3f₀

Рис. 5.2

В существующих устройствах автоматического приема и регистрации дискретных сообщений (буквопечатающие телеграфные аппараты, принте­ры или дисплеи ПК) используются равномерные коды, в которых каждая кодовая комбинация содержит одинаковое число элементов. Это число элементов к называют длиной кодовой комбинации. Минимальная длина кодовой комбинации &mi_n определяется из условия

*min 1 ^log2

где N- число знаков, передаваемое кодом.

Например, для передачи восьми знаков алфавита (а», aj, ... а₈) доста­точно использовать код длиной, равной трем: a_t - ООО, а₂ - 001, а₃ - 010, 34-011^-100,36-101,37^110^8-111.

Рзссмотрим примеры кодов, используемых для передачи сообщений.

Код МТК-2. В настоящее время организована и функционирует меж­дународная телеграфная сеть, служащая для передачи буквенно-цифровых сообщений (телекс). В качестве оконечных устройств ввода-вывода сооб­щения в телеграфной сети используются телеграфные буквопечатающие аппараты. Телеграфный аппарат (ТА) представляет собой, разновидность электрической пишущей машинки. Если два ТА соединены между собой,

то при нажатии на клавиатуре клавиши эта буква автоматически распеча­тывается на приемном телеграфном аппарате, В ТЛ применяется код, кото­рый называют Международным телеграфным кодом (МТК-2 - ITA-2). Этот код является пятюдементным, т.е. с его помощью можно составить 32 кодовые комбинации (рис, 53). Для расширенна возможностей кода ис­пользуются специальные регистры (латинские и русские буквы) и цифры. В результате одна н та же кодовая комбинация используется для формиро­вания знаков русского, латинского алфавитов или цифр в зависимости от выбранного регистра. При передаче сообщений с помощью ТА необходимо выбирать соответствующий регистр.

О

U

-U

к

b

к

Рис, 53

Код ASC1L Американский стандартный код для обмена информацией ASCII (American Staodart Code for Information Interchange) используется в современных ЭВМ Он состоит из семи информационных элементов (бит), которые создают 128 комбинации, что позволяет закодировать строчные и прописные алфавитно-цифровые знаки, а также ряд дополни­тельных графических знаков.

Так как обмен данными в ПК осуществляется кодовыми словами - байтами (1 байт = 8 бит), то оставшийся восьмой бит может служить для увеличения числа знаков, так что можно создавать специальные символы национального алфавита, которые используются в том или ином регионе.

Помимо рассмотренных в современных телекоммуникационных си­стемах используются и другие коды, которые способны автоматически, без участия оператора, обнаруживать и исправлять возникающие ошибки.