Телекоммуникационные системы

81

B1 = A1 = 1 (первые три цифры результирующего кода будут совпадать с исходным, так как нет предыдущих цифр),

В2 = А2 = 1,

В3 = А3 = 0,

В4 = А4В1 = 11 = 0,

В5 = А5В2 = 11 = 0,

В6 = А6 В3В1 = 001 = 1,

В7 = А7В4В2 = 001 = 1,

В8 = А8В5В3 = 000 = 0,

В9 = А9В6В4 = 010 = 1,

В10 = А10В7В5 = 010 = 1,

В11 = А11В8В6 = 001 = 1,

В12 = А12В9В7 = 111 = 1.

Таким образом, на выходе скрэмблера появится последовательность 110001101111, в которой нет последовательности из шести нулей, присутствовавшей в исходном коде, что обеспечивает самосинхронизацию кода.

После получения результирующей последовательности, приемник передает ее дискрэмблеру, который восстанавливает исходную последовательность на основании обратного соотношения:

Сi = BiBi-3Bi-5 = (AiBi-3Bi-5)Bi-3Bi-5 = Ai .

Различные алгоритмы скрэмблирования отличаются количеством слагаемых, дающих цифру результирующего кода и сдвигом между слагаемыми.

82

Глава 8. РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Радиопередающим устройством (радиопередатчиком или просто передатчиком) называют устройство для получения (генерирования) электрических колебаний определенной частоты (радиочастоты) и мощности, один из параметров которых (амплитуда, частота, фаза) изменяется в соответствии с передаваемой информацией (модуляция, манипуляция).

Радиопередатчик должен обеспечить:

¾заданную мощность на выходе вых при высоком КПД, который определяется как отношение мощности на выходе передатчика к полной мощности, потребляемой от источника питания:

		вых	;
¾ функционирование на заданной частотепит				или работу на одной из частот
диапазона	;
¾ допустимую	–степень отклонения частоты			от заданной номинальной

0. Высокая стабильность частоты передатчика позволяет сузить полосу частот, выделяемую для каждого канала связи, и разместить в данном диапазоне больше каналов;

¾минимальный уровень побочных и внеполосных излучений, которые

представляют собой гармонические составляющие основной частоты 0, возникающие в результате нелинейных искажений, и способные создавать помехи другим каналам связи;

¾заданные виды модуляции: АМ, ЧМ, ФМ и т.д.

Рассмотрим в качестве примера типовые структурные схемы радиопередатчиков. В диапазоне волн 10 – 2000 м они работают с АМ, причем к качеству сигналов и стабильности частоты предъявляются очень высокие требования. Возбудитель (задающий автогенератор) маломощный, стабилизированный кварцем, поэтому схема получается многокаскадной (рис. 8.1, а). Буферный каскад ослабляет влияние последующих каскадов на возбудитель. Умножитель частоты позволяет понизить частоту возбудителя и ослабить влияние на него мощных каскадов. Модулятор управляет амплитудой колебаний предоконечного каскада (часто выходного).

83

В передатчиках метрового диапазона (рис. 8.1, б) ЧМ осуществляется в возбудителе (автогенераторе). Высокая стабильность несущей частоты 0 поддерживается системой автоматической подстройки частоты (АПЧ).

Современные передатчики должны иметь возможность быстро перестраиваться на любую из большого числа дискретных стабильных частот заданного диапазона. Поэтому в них вместо простых возбудителей применяют синтезаторы сетки стабильных частот.

Возбуди-	Буферный	Умножитель	Модулируемый	Выходной	А
тель	каскад	частоты	каскад (АМ)	усилитель
Г			±
≈

			БП	Блок	(t)		М	Модулятор
				питания
					а				А
	ЧМ	Буферный		Умножитель	Предвыходной			Выходной
	возбудитель	каскад		частоты		усилитель		усилитель

Г

≈

		АПЧ		БП	Блок
S(t)					питания

б

Рис. 8.1. Типовые структурные схемы передатчиков: а – с амплитудной модуляцией; б – с частотной модуляцией

Пусть выходной каскад передатчика индуктивно связан с замкнутым колебательным контуром (рис. 8.2). В этом контуре электрическое поле сосредоточено в зазоре между обкладками конденсатора, а магнитное поле охватывает небольшое пространство вокруг катушки , т.е. в замкнутом контуре поля разделены. Электромагнитные волны представляют собой совокупность электрического и магнитного полей, распространяющихся в пространстве со скоростью света. В замкнутом контуре поля разделены и излучение электромагнитных волн практически невозможно. Условия излучения выполняются в открытом колебательном контуре, к которому можно перейти от замкнутого, раздвигая пластины конденсатора (рис. 8.2).

84

В качестве выходного каскада используются генераторы с внешним возбуждением (ГВВ). Это каскад передатчика, в котором энергия блока питания преобразуется в энергию высокочастотных колебаний активным элементом (генераторные вакуумные лампы, биполярные и полевые транзисторы).

магнитное поле

передатчик

электрическое поле

выходной

каскад

Е

Е

Е

Рис. 8.2. Принцип излучения электромагнитных волн в радиопередатчике

Обычно частота генерируемых колебаний совпадает с частотой возбуждения, тогда ГВВ называют усилителем мощности колебаний. В радиопередающих устройствах в качестве нагрузки активного элемента применяют колебательный контур, настроенный на рабочую частоту передатчика. Наличие колебательного контура, обладающего избирательными свойствами, позволяет обеспечить гармонический характер напряжения на нагрузке даже при негармонической форме тока в активном элементе. Следовательно можно применить режим усиления класса В, обеспечив КПД

В ГВВ потери	0,65	0,7	(по первой гармонике).
такого усилителя
	мощности в основном происходят на активном элементе,
поэтому	, где	– мощность рассеяния на активном элементе (на
коллекторе транзистора);		– общая мощность, потребляемая от источника

питания; – полезная колебательная мощность. Тогда

85

1

,

откуда

1.

Предположим, что	0,25, тогда		. При	0,75, 1 3 . То есть

от одного и того же электронного прибора можно получить в девять раз большую полезную мощность, если удастся реализовать 0,75.

Еще больший КПД обеспечивает ключевой режим работы электронного прибора, прохождения тока напряжение на активном элементе равно нулю, а при больших напряжениях на нем ток отсутствует. На практике КПД

Рассмотрим оконечный (

0,9

(возможен

0,95 – 0,98

усилителей в ключевом режиме η1

).

выходной) каскад радиопередатчика, в котором

транзистор включен по схеме с общим эмиттером (рис. 8.3).

Ек +

L2

С4

С6

к

К антенне

Uвх

С1

к~

С5

L3

С2

L1

+

VT

С3

–Eбэ

а

Iк	Iб	Iк	Iк
	1
		Iб	Iк1
			Iк2
	А(РТ)

Iб2 t

Ебэ	Uбэ		Iб1
Uвх	Uвх	θ1	θ2
t		б

Рис. 8.3. Оконечный каскад передатчика: а – схема; б – временные диаграммы

86

На базу транзистора VT поступают два напряжения – постоянное бэ, необходимое для выбора рабочей точки и входное высокочастотное Uвх. Рабочую точку каскада А РТ обычно выбирают вначале характеристик, выражающих зависимости коллекторного Iк и базового Iб токов от напряжения Uбэ на эмиттерном переходе (рис. 8.3, б).

При отсутствии входного сигнала транзистор закрыт и его токи б и к равны нулю. Во время положительного полупериода Uвх рабочая точка транзистора смещается в точку 1. При этом в базовой и коллекторной цепях появляются импульсы токов б1 и к1. Режим, при котором максимальный ток к соответствует точке 1, является критическим.

При увеличении амплитуды входного сигнала Uвх в импульсах коллекторного тока к2 появляются провалы, свидетельствующие о переходе транзистора в режим насыщения, который является перенапряженным режимом работы каскада. Обычно транзисторные оконечные каскады работают в критическом и слабо перенапряженном режимах, для которых характерен

Питание	70 80	%).
высокий КПД (
	каскада	выполнено по параллельной схеме, т.е. транзистор и

колебательный контур L3C5 нагрузки включены параллельно источнику питания Ек. Дроссель L2 предотвращает попадание радиочастотного тока в цепь источника питания Ек, а также не допускает шунтирования колебательного контура его малым сопротивлением. Разделительный конденсатор С4 соединяет транзистор и колебательный контур по переменному току и разделяет по постоянному.

При работе оконечных каскадов радиопередатчиков в критическом или слабо перенапряженном режиме из-за сильного искажения выходного тока Iк значительно увеличивается мощность гармоник. Хотя колебательные контуры оконечных каскадов настроены на основную частоту (первую гармонику), а для всех остальных частот представляют собой малые сопротивления, токи гармоник все же проникают в антенну и на этих частотах проходит побочное излучение, которое создает помехи радиоприему.

Чтобы обеспечить электромагнитную совместимость радиостанций, в соответствии с международными нормами уровень мощности побочного излучения жестко ограничивают. Так, передатчики мощностью более 25 Вт, работающие в метровом диапазоне волн, не должны иметь мощность излучения на любой гармонике более 1мВт.

Для надежной фильтрации высших гармоник применяют дополнительные цепи из последовательных и параллельных колебательных контуров, настроенных на соответствующие гармоники. Схема фильтрующей системы, состоящей из параллельных колебательных контуров, настроенных на вторую

87

2 , третью 3 и четвертую 4 гармоники, показана на рис. 8.4. Так как сопротивления колебательных контуров токам основной частоты малы, они с небольшим ослаблением попадают в антенну. Токи же высших гармоник в антенну практически не попадают, поскольку для них сопротивления контуров велики.

2	3	4
Uвх		Uвых

2 3 4

Рис. 8.4. Схема фильтрующей системы

Транзисторный усилитель в ключевом режиме

Работа транзистора в граничном или недонапряженном режиме сопровождается потерями мощности в коллекторном переходе, составляющими не менее (0,3 – 0,4) ист. В результате значительного нагрева транзистора снижается надежность его работы, уменьшается полезная мощность прибора.

В ключевом режиме транзистор работает в области насыщения или области отсечки. В активной области транзистор работает в течение очень короткого времени, вследствие чего мощность рассеяния снижается до 0,05 ист. Полезная мощность транзистора при работе в ключевом режиме может быть увеличена в 1,5 – 2 раза по сравнению с полезной мощностью, получаемой в критическом режиме. Ключевой режим характеризуется малой чувствительностью к изменению параметров транзистора и уровню возбуждения, а также высоким КПД. Указанные преимущества способствуют использованию ключевых режимов при работе транзисторов в выходных каскадах передатчиков. Принцип работы, форму напряжений и токов рассмотрим на примере усилителя, схема которого показана на рис. 68. Коллекторная цепь транзистора заменена ключом К, который попеременно замкнут или разомкнут. Такая замена возможна, так как транзистор находится в режиме насыщения или в режиме отсечки. Конденсатор С и дроссель L являются блокировочными элементами.

88

			Uб
			0	t
			к
		Eк	2 к
			к
	к	С	Rн 2Eкк	t
К		L
		Eк	E
			Uнк
				t
			E
			-Eк	t

Рис. 8.5. Принцип работы усилителя в ключевом режиме и формы напряжений и токов

В установившемся режиме (при постоянной скважности) можно считать, что напряжение на обкладках конденсатора равно к, а через дроссель L протекает ток к . Когда транзистор работает в области насыщения, через него

протекает ток

к и ток разряда конденсатора

к

. Когда транзистор закрыт

(область отсечки), ток

протекает по цепи

,нвосполняя потери энергии

конденсатора

на предыдущемк

этапе. На резисторен

н

падение

напряжения

н

к н

. Максимальный ток в области насыщения

к

к

к

2 к

. В

н

области отсечки напряжение коллектора равно 2 к. Напряжение на нагрузке имеет прямоугольную форму и амплитуду, равную к. Мощность первой гармоники 0,815 , а мощность высших гармонических составляющих равно 0,185 . Разделение токов основной частоты и высших гармонических составляющих производят с помощью специальных фильтров. Фильтр нижних частот (ФНЧ) направляет ток основной частоты в нагрузку, а фильтр верхних частот (ФВЧ) направляет токи остальных гармоник в балластный резистор

(рис. 8.6).

89

	C	ФНЧ
		Rн
	L
VT		ФВЧ

Eк

Rб

Рис. 8.6. Разделение токов основной частоты и высших гармоник

8.1. Промежуточные ступени передатчиков

Структурная схема передатчика содержит между автогенератором (возбудителем) и выходной ступенью промежуточные ступени, назначение которых состоит в предварительном усилении мощности колебаний созданных возбудителем до уровня, достаточного для нормальной работы выходной ступени. Промежуточные ступени защищают автогенератор от влияния изменяющихся параметров антенны и режима выходной ступени на стабильность рабочей частоты автогенератора. В этих каскадах производят (при необходимости) умножение частоты возбудителя до заданной рабочей, а также осуществляют амплитудную и фазовую модуляции.

Сигнал на выходе промежуточной ступени должен быть близким к гармоническому, однако специальных мер по подавлению нерабочих гармонических составляющих не принимают, так как уровень побочных составляющих на выходе радиопередатчика определяется в основном режимом выходного каскада и степенью фильтрации его контуров.

Для удобства эксплуатации передатчика в промежуточных ступенях используют широкополосные не перестраиваемые усилители. В передатчиках более высоких частот обычно частота возбудителя fВ во много раз ниже

рабочей	частоты	p на выходе оконечного каскада, связанного с антенной.
Частоту	В доводят до		p с помощью умножителя частоты.
При работе ГВВ с отсечкой при входном напряжении возбуждения
кратныев в cos в		выходной ток содержит гармонические составляющие,
	частоте возбуждения:			cos 2 в	cos 3 в
вых		cos	в			.

90

	Возможна работа ГВВ при настройке коллекторного контура на частоту
одной из высших гармонических составляющих выходного тока							,
где	1,2,3,4,… – коэффициент умножения частоты. При					ГВВ называют
						2 ,3 ,…,
удвоителем частоты, при				– утроителем. На рис. 8.7	показана типичная
					2
схема транзисторного		умножителя частот. Контур в цепи базы настроен на
			3

основную частоту и обеспечивает согласование входной цепи транзистора с предыдущим каскадом. В цепи коллектора включены полосовые фильтры, которые обеспечивают выделение требуемой гармоники (L5C6C7) и подавление нерабочих гармоник. Возрастание коэффициента усиления транзистора с уменьшением частоты приводит к необходимости подавления этих нерабочих

частот (L3C4),

(L4C5). Эти режекторные контура обеспечивают подавление

,2

дб. Обычно после умножителя ставят усилительный каскад.

более 30

2

L1

VT

L5

вх(ω)

L

L3

L4

С6

вых(3ω)

С1

L2

С2

R1

С3 Сбл

С4

С5

С7

Ек

Рис. 8.7. Схема утроителя частоты

Варакторные умножители частоты

Умножители частоты, использующие нелинейную емкость p-n-перехода специального полупроводникового прибора, называемого варактором, применяют в передатчиках УВЧ и СВЧ-диапазонов. Нижняя граница таких умножителей 0,5 1 ГГц, верхняя 12 15 ГГц (ограничена частотными свойствами варактора). Варакторы предназначены для работы при больших амплитудах радиочастотного сигнала и размещены в корпусах с хорошим теплоотводом (мощные варикапы).

Эффект умножения частоты варактором объясняется нелинейной зависимостью тока, протекающего через варактор от напряжения на емкости

p-n-перехода. Ток и напряжение					на	емкости варактора		связаны
соотношением				,	а	емкость	варактора	зависитВ		от
напряжения на pIВ-n-		переходе	В В			Поэтому при подаче на варактор
		UВ/ Х
синусоидального	напряжения,В		ток,		Впротекающий.		через	него,	будет
несинусоидальным		– появятся	высшие гармонические составляющие						тока.