Принципы радиосвязи

Принципы радиосвязи.

Общее устройство передатчика и приемник

Виды радиосвязи

Амплитудная модуляция

Частотная модуляция

Фазовая модуляция

Широтно-импульсная модуляция

Радиоприемник. Демодуляция

Антенна ДОПОЛНИТЬ

Принцип радиосвязи

Гармонический сигнал радиочастоты, излучаемый в пространство, не содержит полезной информации, кроме факта своего существования. Поэтому передаваемая информация кодируется в радиосигнале.

Для радиосвязи требуется радиопередатчик, излучающий радиоволны, переносящие необходимую кодированную информацию, и радиоприемник, улавливающий и декодирующий излучаемый передатчиком сигнал.

Переменный электрический ток высокой частоты, созданный в передающей антенне, вызывает в окружающем пространстве быстро меняющееся электрическое поле, которое распространяется в виде электромагнитной волны. Достигая приемной антенны, электромагнитная волна вызывает в ней переменный ток той же частоты, на которой работает передатчик.

Обнаружить радиоволны и извлечь из них передаваемую информацию можно с помощью радиоприемника.

Достигая антенны приемника, радиоволны пересекают ее провод и возбуждают (индуцируют) в ней очень слабые радиочастоты. В приемной антенне одновременно находятся высокочастотные колебания от многих радиопередатчиков. Поэтому один из важнейших элементов радиоприемника – селективное (избирательное) устройство, которое из всех принятых сигналов может отобрать нужные.

Таким устройством является колебательный контур, позволяющий настраивать приемник на радиоволны определенной длины.

Колебания тока в контуре будут наиболее сильными в результате явления резонанса, если частота колебаний подведенного сигнала совпадает с собственной частотой колебаний контура.

Назначение других элементов радиоприемника заключается в том, что бы усилить принятые или отраженные колебательным контуром высокочастотные модулированные колебания, выделить из них колебания звуковой частоты, уменьшить их и преобразовать в сигналы информации.

Виды радиосвязи

Различают четыре вида радиосвязи, отличающиеся типом кодирования передаваемого сигнала, или модуляцией:

- радиотелеграфная

- радиотелефонная или радиовещание

- телевидение

- радиолокация

Радиотелеграфная связь осуществляется путем передачи сочетания электромагнитных импульсов, кодирующих информацию, например в азбуке Морзе.

См.ниже Изобретение радио Поповым в 1895 г.

За счет большой амплитуды передаваемых импульсов менее всего подвержена помехам и действует на очень большие расстояния, но не позволяет достичь высокой скорости передачи информации.

Радиолокация – обнаружение объектов и определение их координат с помощью отражения радиоволн. Промежуток между посылкой импульса, распространяющегося со скоростью света, и приемом его отражения от объекта равен двойному расстоянию до объекта.

Радиовещание – передача в эфир речи, музыки, звуковых эффектов с помощью электромагнитных волн.

Радиотелефонная связь предполагает передачу подобной информации для приема конкретным абонентам.

Важнейшим этапом в развитии радиосвязи было создание в 1913 году генератора незатухающих электромагнитных колебаний. Кроме передачи телеграфных сигналов, состоящих из коротких и более продолжительных импульсов электромагнитных волн, стала возможна надежная и высококачественная радиотелефонная связь – передача речи или музыки с помощью электромагнитных волн.

При радиотелефонной связи колебания давления воздуха в звуковой волне с помощью микрофона превращаются в электрические колебания той же формы. Колебания звуковой частоты представляют собой сравнительно медленные колебания, а электромагнитные волны низкой (звуковой) частоты почти совсем не излучаются.

ДОБАВИТЬ ТЕЛЕВИДЕНИЕ

Модуляция

Для осуществления радиотелефонной связи необходимо использовать высокочастотные колебания, интенсивно излучаемые антенной. Незатухающие гармонические колебания высокой частоты вырабатывает генератор высокой частоты, например генератор на транзисторе. Для передачи звука эти высокочастотные колебания изменяют (модулируют), с помощью электрических колебаний низкой (звуковой) частоты.

Модуляция – кодированное изменение одного или нескольких параметров передаваемого сигнала для передачи информации.

Можно, например, изменять со звуковой частотой амплитуду высокочастотных колебаний. Этот способ называют амплитудной модуляцией.

Можно, например, изменять пропорционально звуковой частоте частоту высокочастотных колебаний. Этот способ называют частотной модуляцией.

Различают следующие виды модуляции:

- амплитудная

- частотная

- фазовая

- широтно-импульсная

Возможно одновременное использование нескольких видом модуляции сигнала.

Амплитудная модуляция – изменение амплитуды высокочастотных колебаний по закону изменения передаваемого сигнала (более низкой частоты)

Для амплитудной модуляции высокочастотного сигнала в цепь эмиттера генератора на транзисторе включают трансформатор модулирующего устройства. Напряжение на этом трансформаторе меняется в зависимости от модулирующего сигнала, например от микрофона.

Дополнительным элементом передатчика является антенна, индуктивно связанная с катушкой индуктивности колебательного контура, и излучающая в пространство электромагнитные волны в зависимости от колебаний в контуре.

При отсутствии модулирующего сигнала ток в колебательном контуре меняется по гармоническому закону с несущей частотой ₀:

i = I₀ cos(₀t)

При появлении модулирующего сигнала от микрофона, на вторичной обмотке модулирующего трансформатора возникает напряжение звуковой частоты  << ₀.

Это напряжение, складываясь с напряжением в генераторе, приводит к изменению силы тока по закону:

i_ = I₁ cos(t)

В результате амплитуда высокочастотных колебаний начнет изменяться по гармоническому закону с частотой :

i = (I₀ + I₁ cos(t)) cos(₀t)

Такой сигнал можно рассматривать, как гармонические колебания с медленно изменяющейся амплитудой, так как  << ₀.

Учитывая, что cos(t) cos(₀t) = [ cos(₀ - )t + cos(₀ + )t] :

i = (I₀ + I₁ cos(t)) cos(₀t) = I₀ cos(₀t) + cos(₀ - )t + cos( + ₀)t

Амплитудно-модулированный сигнал можно рассматривать как сумму трех гармонических колебаний с частотами : ₀ - , ₀, ₀ +

Для передачи амплитудно-модулированного сигнала требуется полоса частот 2.

Ширина канала связи – полоса частот, необходимая для передачи данного сигнала.

Чем больше несущая частота, тем большее число независимых радиостанций, сигналы которых не накладываются друг на друга, можно разместить в заданном диапазоне частот.

Структуру амплитудно-модулированных колебаний можно представить в виде спектрограммы, в которой по горизонтальной оси откладывается частота, в а по вертикальной оси – амплитуда колебаний.

Частотная модуляция

Постоянство несущей частоты сигнала приводит к его незащищенности от помех.

Для увеличения помехозащищенности передаваемого сигнала его несущая частота изменяется пропорционально амплитуде модулирующего сигнала. Чем больше амплитуда, тем больше несущая частота.

Частотная модуляция – изменение частоты высокочастотных колебаний по закону изменения передаваемого сигнала.

 = ₀ +  cos(t)

Частотная модуляция используется при передаче сигналов телевидения и УКВ-радиостанций.

ДОБАВИТЬ ФАЗОВУЮ МОДУЛЯЦИЮ

ДОБАВИТЬ ШИМ (Широтно Импульсная Модуляция)

добавить графики видов модуляции

Детектирование

В приемной антенне возникают высокочастотные колебания от всех радиостанций. Для выделения сигнала одной нужной фиксированной несущей частоты служит колебательный контур регулируемой частоты (как правило за счет конденсатора переменной емкости) Индуктивность такого контура является вторичной обмоткой трансформатора, у которого роль первичной обмотки выполняет индуктивность антенны.

Изменением электроемкости контура можно добиться совпадения собственной частоты контура с несущей частотой требуемой радиостанции: ₀ =

При этом вследствие резонанса амплитуда вынужденных колебаний напряжения данной несущей частоты резко возрастает по сравнению с напряжениями несущих частот других радиостанций. Таким образом сигнал требуемой частоты выделяется из остальных.

Высокочастотные колебания несущей частоты лишь переносят требуемую информацию, но не содержат ее. Из амплитудно-модулированного высокочастотного сигнала требует выделить колебания низкой частоты, содержащие передаваемую информацию.

Детектирование или демодуляция – процесс выделения низкочастотных (звуковых) колебаний из модулированных колебаний высокой частоты.

В приёмнике из модулированных колебаний высокой частоты выделяются низкочастотные колебания. Такой процесс называют детектированием.

Полученный в результате детектирования сигнал соответствует тому звуковому сигналу, который действовал на микрофон передатчика.

В простейшем приемнике демодуляция осуществляется в два этапа:

сначала высокочастотные колебания выпрямляются, а затем выделяется их низкочастотная огибающая.

Выпрямленные высокочастотные колебания подаются на RC2 цепочку. В период, когда диод открыт, конденсатор подзаряжается. При закрытом диоде конденсатор разряжается через сопротивление R.

При прохождении через RC2-фильтр высокочастотных колебаний, модулированных звуковой частотой, напряжение u₃ на сопротивлении R изменяется со временем практически подобно низкочастотному модулирующему сигналу на передающей радиостанции.

Для полного совпадения этих сигналов положительный сигнал звуковой частоты, выделяемый на сопротивлении, надо сделать знакопеременным, т.е убрать из него постоянную составляющую. Это осуществляется с помощью конденсатора С3, не пропускающего постоянную составляющую напряжения на R.

В результате демодуляции в приемнике электрический сигнал u₄ звуковой частоты практически идентичен модулирующему сигналу передающей радиостанции.

Принятый и немодулированный сигнал преобразуется мембраной телефона в звуковые колебания.

В реальных схемах детекторных приемников роль R играет телефон, а конденсатор С3 не используется, так как постоянная составляющая сигнала не влияет на работу телефона.

ДОБАВИТЬ ПРО АНТЕННЫ ИЗ ДРУГОГО ИСТОЧНИКА

Для осуществления радиосвязи необходимо обеспечить возможность излучения электромагнитных волн.

Чем больше угол между пластинами конденсатора – тем более свободно электромагнитные волны распространяются в пространстве. В действительности, открытый контур состоит из катушки и длинного провода – антенны. Один конец антенны заземлен, другой – поднят над поверхностью Земли. Т.к. энергия электромагнитных волн пропорциональна четвертой степени частоты, то при колебаниях переменного тока звуковых частот электромагнитные волны практически не возникают.

Поэтому используется принцип модуляции – частотной, амплитудной или фазовой.

Изобретение радио А. С. Поповым

В качестве детали, непосредственно «чувствующей» электромагнитные волны Попов применил «когерер» (изобретен не Поповым) – стеклянную трубку с 2 электродами, наполненную мелкими металлическими опилками. (Подбор материала с высокой чувствительностью для этих опилок потребовал нескольких тысяч опытов)

В обычном состоянии когерер обладает большим сопротивлением, так как опилки имеют плохой контакт друг с другом. Пришедшая электромагнитная волна создает в когерере переменный ток высокой частоты. Между опилками проскакивают мельчайшие искорки, спекающие опилки. В результате сопротивление когерера резко падает со 100000 до 1000-500 Ом.

Снова вернуть прибору большое сопротивление можно, если встряхнуть его. Чтобы обеспечить автоматичность приёма, необходимую для осуществления беспроволочной связи, использовалось звонковое устройство для встряхивания когерера после приёма сигнала.

Цепь электрического звонка замыкалась с помощью чувствительного реле в момент прихода электромагнитной волны. С окончанием прихода волны работа звонка сразу прекращалась, так как молоточек звонка ударял не только по звонку, но и по когереру. Чтобы повысить чувствительность приёмника, Попов один из выводов когерера заземлил, а другой присоединил к высоко поднятому куску проволоки, создав первую приёмную антенну.

7 мая 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге он продемонстрировал действие своего прибора. Этот день стал днём рождения радио. Вначале радиосвязь была установлена на 250 м, затем более чем на 600, затем 20 км, в 1901 г. – 150 км (для нужд военноморского флота России на Балтике)

За границей массовый выпуск и усовершенствование аналогичных приборов широко проводилось фирмой, организованной итальянским инженером и предпринимателем Гуглиельмо Маркони.