Тема 2. Основи радіопередачі та радіоприйому Заняття №1. Військові засоби зв’язку.

1. Тракт, сигнали та канали зв’язку. Якість каналів зв’язку.

2. Технічні характеристики сигналів та каналів.

3. Принцип формування сигналу. Спектр випромінюємих частот.

4. Техніка військового радіозв’язку та її класифікація.

5. Узагальнена структурна схема радіопередавача.

6. Призначення та основні характеристики приймачів. Регулювання в радіоприймачах.

1. Тракт, сигнали та канали зв’язку. Якість каналів зв’язку.

1.1 Сигналы

Сигнал по определению есть физический процесс, т.е. некоторая зависимость от времени. Т.к. время непрерывно, сигнал также непрерывен во времени. Если не углубляться до квантовых уровней - сигнал непрерывен и по множеству, он может принимать любое значение внутри некоторого диапазона.

Любой электрический сигнал можно рассматривать как меняющуюся во времени электрическую величину ( ток или напряжение). Математическое выражение, по которому для любого момента времени t можно вычислить значение сигнала s(t), является детерминированной моделью этого сигнала. Наиболее часто такой выбор осуществляется на основе временной диаграммы электрического сигнала.

Для математического описания сигналов используют как вещественные, так комплексные функции.

Под сигналом s(t) будем понимать изменение во времени одного из параметров физического процесса.

По скорости изменения различают медленно меняющиеся сигналы - ток или напряжение, образованные в результате преобразования информации в электрический сигнал, и радиосигналы, скорость изменения которых много больше первых.

Основными энергетическими характеристиками сигнала s(t) являются его мощность и энергия.

Для передачи по радио сообщение преобразовывается в первичный электрический сигнал. В зависимости от характера сообщения первичные сигналы могут быть:

- непрерывными;

- дискретными.

Понятие о непрерывности и дискретности имеет очень большое значение в теории связи. Дискретной величиной называется величина, принимающая только определенное число значений. Величина, которая может принимать бессчетное множество значений, называется непрерывной. Например, число вагонов в составе - дискретная величина, а вес вагона - непрерывная, т.к. этот вес может быть любым в пределах грузоподъемности вагона.

Всякий сигнал непрерывен. Все, что мы видим на осциллографе - непрерывные сигналы.

Непрерывные сигналы принимают любые значения по состояниям в некотором интервале. Типичным примером непрерывного сигнала является речевой сигнал: его амплитуда непрерывно меняется во времени в пределах ±Umax.

Дискретный сигнал это совокупность цифр, букв (в качестве примера можно привести напечатанный текст). Как только этот текст зазвучал, т.е. превратился в сигнал, он стал непрерывным.

Дискретные сигналы принимают конечное число вполне определенных значений по состоянию. Наиболее общим примером дискретных сигналов могут служить сигналы с двумя уровнями - логическая единица и логический ноль, применяемые в цифровой технике.

Дискретные сигналы передаются с помощью радиотелеграфной связи. Отличительной особенностью радиотелеграфной передачи является кодирование сообщения. Каждый отдельный передаваемый символ (буква алфавита, цифра или знак) имеют свою кодовую комбинацию элементарных сигналов.

Рисунок 1.1 - Классификация сигналов

Случайным сигналом называют функцию времени, значения которой заранее неизвестны и могут быть предсказаны лишь с некоторой вероятностью. В качестве основных характеристик случайных сигналов принимают:

- закон распределения вероятности (относительное время пребывания величины сигнала в определенном интервале);

- спектральное распределение мощности сигнала.

ЦИФРОВОЙ

Рисунок 1.2 - Формы представления детерминированных сигналов

Детерминированным называется сигнал, который точно определен в любой момент времени (например, задан в аналитическом виде). Детерминированные сигналы могут быть периодическими и непериодическими.

Периодическим называется сигнал, для которого выполняется условие:

s(t) = s(t + кT),

где к - любое целое число,

Т - период, являющийся конечным отрезком времени.

Периодические сигналы, таким образом, определены на всей оси времени, т.е. <t< . Для периодического сигнала достаточно задать математическое описание на интервале времени, совпадающем с его периодом. Величина F1=1/T называется частотой повторения сигнала.

Пример периодического сигнала - гармоническое колебание. Любой сложный периодический сигнал может быть представлен в виде суммы гармонических колебаний с частотами, кратными основной частоте

Сигналы, не являющиеся периодическими, называются непериодическими.

Непериодический сигнал, как правило, ограничен во времени.

Если непериодический сигнал отличен от нуля на некотором определенном интервале времени, то такой сигнал называется ограниченным во времени. Их необходимо описывать на всей оси времени от до .

Цифровой сигнал представляет из себя комбинацию узких импульсов одинаковой амплитуды, выражающих в двоичном виде дискретные отсчеты сигнала.

Первичный электрический сигнал носит низкочастотный характер. Он может быть непосредственно переданным по проводным линиям связи, но он не может эффективно излучаться в среду распространение радиоволн, поскольку очень сложно создать излучатели, соизмеримые с длиной волны сигнала. Следовательно, для передачи по радио первичный сигнал должен быть преобразован в высокочастотный сигнал. С этой целью используются высокочастотные гармонические колебания, один или несколько параметров которых (амплитуда, частота или фаза) подвергается модуляции, т.е. изменению, прямо пропорциональному значениям первичного сигнала.

Комплекс мероприятий, направленных на уменьшение влияния взаимных помех РЭС, называется электомагнитной совместимостью. Этот комплекс включает в себя как технические меры совершенствования радиоаппаратуры, выбор формы сигнала и способа его обработки, так и организационные меры: регламентация частоты, разнесение РЭС в пространстве, нормирование уровня внеполосных и побочных излучений и др.

Модуляция (От лат. "modulatio" — мерность, размерность) — процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного модулируемого колебания под воздействием относительно низкочастотного управляющего модулирующего сигнала.

Модуляцию высокочастотных колебаний дискретными сигналами обычно называют манипуляцией.

Рисунок 1.3 - Графическое отображение манипуляции

1- Колебания несущей частоты. Частота и амплитуда постоянны.

2- Импульсы модулирующего сигнала (включено — выключено).

3- Модулированное по амплитуде колебание.

4- Модулированное по частоте колебание.

При манипуляции модулированный сигнал принимает только два значения:

- колебания есть, колебаний нет – при АМ,

- частота f1, частота f2 – при ЧМ.

Все сигналы можно представить как во временной, так и в частотной областях. Частотное изображение сигнала называется его спектром. Если по временной диаграмме можно судить о форме сигнала, то по спектру о его содержании. В этом проявляется диалектический закон единства формы и содержания.

Периодический сигнал, параметры которого изменяются, называют несущим сигналом или несущей частотой, если в качестве такого сигнала используется синусоида. Несущий сигнал — сигнал, один или несколько параметров, которого подлежат изменению в процессе модуляции. Степень изменения параметра определяется мгновенным значением информационного (модулирующего) сигнала.

В качестве несущего может быть использован любой стационарный сигнал. Чаще всего в качестве несущего сигнала используется высокочастотное (относительно информационного сигнала) гармоническое колебание, что обусловлено простотой демодуляции и узким спектром. Однако, в некоторых случаях целесообразно использовать другие виды несущего сигнала, например, прямоугольный.

Несущий сигнал часто называют просто несущая (от несущая частота), либо несущее (колебание). Все эти термины означают практически одно и то же. В английской терминологии несущий сигнал обозначается, словом carrier.

Радиосвязь осуществляется путем передачи энергии электромагнитных колебаний высокой частоты от передающей антенны к приемной. Спектр, отображающий передаваемое сообщение, расположен в более низких (звуковых) частотах, поэтому для обеспечения радиосвязи изменяют один из параметров высокочастотного колебания (несущей) по закону изменения низкочастотного сигнала. Этот процесс называется модуляцией

В результате спектр управляющего сигнала переносится в область высоких частот, где передача электромагнитных сигналов посредством излучения более эффективна. Передаваемая информация заложена в управляющем сигнале. Роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим. В качестве несущего могут быть использованы колебания различной формы (прямоугольные, треугольные и т. д.), однако чаще всего применяются гармонические колебания.

а)

б)

в)

Рисунок 1.4 – Процесс модуляции

а) высокочастотный сигнал; б) низкочастотный сигнал; в) модулированный сигнал.

Рисунок 1.5 – Детектирование

а — амплитудно-модулированное колебание на входе детектора;

б — вольтамперная характеристика детектора;

в — колебания тока на выходе детектора.

Модуляция - это процесс, при котором высокочастотная волна используется для переноса низкочастотной волны.

Для передачи сообщений звуковой частоты (речь, музыка, изображение) сигналы преобразовывают в электрическую форму. В такой форме эти сигналы не всегда пригодны для эффективного излучения с помощью антенн и распространения в свободном пространстве, так как представляют собой низкочастотные колебания, которые быстро затухают. Для передачи низкочастотных колебаний на большие расстояния используются высокочастотные колебания, которые обладают свойствами, необходимыми для передачи на большие расстояния. Содержащее сообщение низкочастотное колебание как бы накладывают на высокочастотное колебание, в результате чего оно изменяется по закону передаваемого сообщения.

Высокочастотное колебание называется несущим, а передаваемое сообщение, содержащее низкочастотное колебание, называется управляющим ( модулирующим ) сигналом.

преобразование колебаний – процессы изменения амплитуды, частоты или фазы при модуляции и детектировании.

Модуляцию осуществляют в специальных устройствах – модуляторах (рис. 1.4), входящим в состав радиопередатчика.

Рисунок 1.6 – Изображение модулятора

где, Uнес – несущее колебание; Uупр – управляющий сигнал;

Uмод – модулированное колебание

На два входа модулятора подают управляющий (низкочастотный) сигнал Uупр и гармоническое несущее (высокочастотное) колебание Uнес, а на выходе появляется модулированное (высокочастотное) колебание.

Получаемые в радиопередатчике модулированные колебания высокой частоты передаются в антенну и далее излучаются в виде свободных электромагнитных волн.

Модуляция применяется для преобразования первичных сигналов электросвязи во вторичные и обратно. При этом осуществляется передача сигналов по линии или каналу связи с пропускаемой полосой частот с ненулевыми нижней и верхней границами - так называемый канал с эффективно передаваемой полосой частот (ЭППЧ).

В зависимости от того, какой из параметров несущего колебания изменяется, различают соответственно амплитудную, частотную или фазовую модуляцию.

а). Амплитудная модуляция. б) Частотная модуляция. в) Фазовая модуляция.

Рисунок 1.7 – Виды модуляции

Модуляция дискретным сигналом называется цифровой модуляцией или манипуляцией.

Модуляция колебаний, медленное по сравнению с периодом колебаний изменение амплитуды, частоты или фазы колебаний по определённому закону. Соответственно различаются амплитудная модуляция, частотная модуляция и фазовая модуляция.

При любом способе модуляции скорость изменения амплитуды, частоты или фазы должна быть достаточно малой, чтобы за период колебания модулируемый параметр почти не изменился.

Все сигналы можно представить как во временной, так и в частотной областях. Частотное изображение сигнала называется его спектром. Если по временной диаграмме можно судить о форме сигнала, то по спектру о его содержании. В этом проявляется диалектический закон единства формы и содержания.

Спектр первичного сигнала (верхняя и нижняя частоты) обычно не совпадает с полосой пропускания канала, поэтому спектр сигнала нужно перенести в полосу пропускания канала.

Рисунок 1.8 – Спектр исходного сигнала и полоса пропускания канала связи

Функция s(t) определяет гармонический сигнал на временной плоскости

Рисунок 1.9 – Гармонический сигнал

Если в качестве оси абсцисс выбрать частоту, а оси ординат - амплитуду и фазу то можно получить представление гармонического сигнала на частотной плоскости, причем для удобства графики амплитуда - частота и фаза - частота рисуют отдельно.

Рисунок 1.10 – Гармонический сигнал на частотной плоскости

Если действительный гармонический сигнал представить в виде суммы комплексных, то для построения его комплексно-сопряженной части на частотной плоскости придется использовать и область отрицательных частот.