Распространение коротких радиоволн

Радиосвязь на коротких волнах ВЧ (HF) - (ƒ 3...30 МГц l 10…60 м) на расстояниях от сотен до нескольких тысяч километров ведется исключительно пространственной волной. Малый радиус действия связи, использующей поверхностную волну, объясняется большими потерями электромагнитной энергии в земле. Разница в прохождении обоих видов радиоволн проявляется тем резче, чем короче рабочая волна.

При расчетах коротковолновых линий радиосвязи следует считаться с наличием зон молчания. Отражение луча от слоя ионосферы и возвращение на Землю возможно при условии малого поглощения энергии в ионосфере и большой электронной концентрации ионизированного слоя, достаточной для полу­чения нужного угла преломления, обеспечивающего возвращение луча в пункт приема. Чем больше угол преломления, тем дальше от пункта излучения луч воз­вращается к земле.

Постепенно уменьшая угол преломления, например изменением на­правления излучения антенны, можно прийти (при данной длине волны) к такому положению, когда даже при хорошей электронной концентрации ионосферного слоя луч, направленный в ионосферу, не сможет возвратиться на землю. Все лучи, вышедшие под углом, меньшим критического угла преломления, не возвратятся на землю. Расстояние от места излучения до места возвращения радиоволны на землю называется зоной молчания. Величина зоны молчания зависит от длины волны и времени суток и года. Таким образом, каждый слой в каждое время имеет граничную частоту, являющуюся наивысшей частотой, отражающейся в данное время от этого слоя. Частоты выше проходят сквозь слой без отражения.

Распространение ультракоротких волн

Радиоволны метрового ОВЧ (VHF) - (ƒ 30...300 МГц λ 10...1 м ) диапазона используют для ра­диовещания, телевидения, радионавигации и радиорелейной связи. Радиоволны короче 8 -10м при нормальном состоянии ионосферы не могут получить достаточного преломления в ионосфере и возвратиться к земле, поэтому распространение метровых и дециметровых радиоволн происходит, как правило, только при помощи поверхностной волны. Распространение волн метрового и дециметрового диапазонов на расстояние прямой видимости определяется выражением:

D=2,08 (ÖH + Öh) миль

Из этой формулы видно, что дальность связи в месте приема прямо пропорциональна высотам поднятия антенн на обоих концах радиолинии.

Следовательно, радиус действия их в пределах прямой видимости мал и составляет 40-60км. Лишь при расположении антенн на значительных высотах (100м и более) радио­связь возможна на большие расстояния. Однако наблюдается много случаев приема радиоволн этого диапазона на расстояниях, значительно превыша­ющих расстояния прямой видимости. Так как ионосфера пропускает ультракороткие волны почти без потерь, то становится возможной радиосвязь с использованием искусственных спутников. Для связи с подвижными объектами (судами) в качестве ретрансляторов используют искусственные спутники земли.

Распространение радиоволн сантиметрового диапазона

Волны сантиметрового диапазона СВЧ (SHF) - ( ƒ3...30 ГГц λ10...1 см ) используют глав­ным образом для радиолокации и радиорелейной связи. Характер распростра­нения радиоволн этого диапазона существенно отличается от характера рас­пространения радиоволн более длинноволновых диапазонов.

Первой отличительной чертой распространения радиоволн сантиметрового диапазона является почти полное отсутствие явления дифракции и прямолинейность распространения. Земная поверхность практи­чески не оказывает заметного влияния на распространение этих радио­волн, что объясняется применением в этом диапазоне антенн узко направ­ленного действия с диаграммой направленности шириной от нескольких гра­дусов до долей градуса. Второй отличительной особенностью распространения микрорадиоволн является большое поглощение энергии в атмосфере, особенно во время дождя, снега, инея, пыли, тумана, града, а также при резких перемещениях слоев нагретого и холодного воздуха.

Метеорологические условия, характерные для нижних слоев атмосферы - тропосферы, самым существенным образом влияют на распространение микрорадиоволн. Состояние тропосферы изменяется почти непрерывно и также изменяется напряженность электромагнитного поля микрорадиоволн. Зами­рание сигналов бывает как кратковременным, так и продолжительным.

Усиленное рассеивание и поглощение микрорадиоволн при возникнове­нии разных явлений в атмосфере дает возможность использовать радиоволны для наблюдения за состоянием погоды (для обнаружения приближающихся дождей, штормов, выпадений снега и т. п.) Поглощение микрорадиоволн частицами дождя тем больше, чем короче длина волны и чем интенсивнее дождь.

Напряженность поля микрорадиоволн может рассчитываться по форму­лам, используемым для диапазона ультракоротких волн, но с учетом допол­нительных потерь на поглощение и рассеяние электромагнитной энергии в частицах, находящихся в атмосфере.

СИГНАЛЫ В РТС

Классификация сигналов

1 -

t₀

0 - t_o

или

t_o

Под сигналами будем понимать изменяющийся во времени электрический ток или напряжение. Сигналы, отражающие передаваемое сообщение, могут быть непрерывными, принимающими любое значение в пределах заданного диапазона (например, на выходе микрофона), и дискретными, принимающими в заданные моменты времени одно из нескольких разрешенных значений. Например, для передачи знаков русского алфавита необходимо использовать 33 разных сигнала, для передачи цифр – 10 сигналов. Для простоты технической реализации и универсальности систем передачи информации, способных передавать различные сообщения, число используемых сигналов принимают равным 2 (для удобства анализа их обозначают обычно символами 1 и 0). Символу 1 соответствует, например, высокий уровень напряжения прямоугольной формы длительностью t₀, символу 0 - низкий (нулевой) уровень напряжения той же длительности

или импульс напряжения отрицательной полярности.

Такие сигналы называют цифровыми или двоичными. Для отображения знаков алфавита с помощью набора 1 и 0 используют специальные коды, с помощью которых каждый знак алфавита представляется двоичным числом или кодовой комбинацией. Кодирование и декодирование осуществляется в терминале.

Системы, предназначенные для передачи непрерывных сигналов, называют непрерывными или аналоговыми, а системы, предназначенные для передачи дискретных сигналов, называют дискретными или цифровыми системами. Непрерывные сигналы во временной области характеризуются динамическим диапазоном - областью, в пределах которой изменяется значение сигнала, и полосой занимаемых частот. Цифровые сигналы характеризуются длительностью t_о или скоростью передачи V – числом сигналов, передаваемых в единицу времени. Эта величина измеряется в Бодах (1 Бод равен одному двоичному сигналу в секунду): V (Бод) = 1/ t_о (с). Для передачи двоичных сигналов также требуется некоторая полоса частот, которая зависит от скорости передачи t_о.

Любой непрерывный сигнал может быть представлен в виде цифрового с помощью процедур дискретизации по времени, квантования по уровням и кодирования (соответствующее устройство преобразования называют аналого-цифровым преобразователем - АЦП) и передан по цифровой системе передачи. Обратная процедура восстановления непрерывного сигнала из дискретного реализуется с помощью цифро-аналогового преобразователя - ЦАП.

Элементы кодирования и теории информации

Кодом называют таблицу, в которой каждому знаку алфавита ставится в соответствие набор двоичных элементов (их условно обозначают 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 t_o 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 букве "а" - точка, пауза длительностью t_о и тире, длительность которого равна 3 t_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.

Пример кодовых комбинаций кода Морзе (однополярные посылки)

1 0 1 1 1

"а"  ▬

t_о 3t_о

Каждый двоичный элемент кодовой комбинации (1 или 0)содержит определенное количество информации, равное 1 биту (bit - binary digiT), скорость передачи информации измеряется в значениях бит/с. При передаче только информационных сигналов 1 бит/с численно равен 1 Боду.

Спектры сигналов

Физические сигналы обычно описываются функциями времени. Однако, при передаче информации с помощью гармонических электромагнитных волн удобно представлять сигналы в частотной области.

Физический смысл спектра заключается в том, что он определяет совокупность гармонических составляющих (с заданными амплитудами и частотами), формирующих заданную форму сигнала во временной области. В общем случае спектр сигналов, ограниченных во времени, бесконечен, т.е. для получения заданной формы сигнала необходимо бесконечно большое число гармоник, однако амплитуды гармоник падают с ростом частоты. Это позволяет ограничить реальный спектр некоторой полосой частот, достаточной для обеспечения воспроизведения сигналов с требуемой точностью.

Без ущерба для разборчивости речи диапазон частот речевого сигнала в телефонных сетях ограничивают полосой 300...3400 Гц.

В морской радиосвязи в соответствии с требованиями Регламента радиосвязи в КВ-диапазоне верхняя частота телефонного сигнала не должна превышать 3000 Гц.

Известно, что в радиовещательном сигнале для удовле­творительного качества его воспроизведения можно верхнюю частоту ограничить 4,5 кГц (а при передаче речи по телефо­ну - даже 3,4 кГц). В этом случае полоса частот, необходи­мая для передачи такого сообщения с помощью AM, составит 9 кГц. Именно она выделяется для организации одно­го радиоканала в диапазонах ДВ, СВ и КВ. Спектр звуковых сигналов, воспринимаемых человеком, содержит гармонические составляющие от 20 Гц до 20000 Гц. Спектр музыкаль­ного сигнала в основном сосредоточен в полосе частот 10 кГц, а при высококачественном воспроизведении - до 15 кГц. Следовательно, при передаче таких сигналов с помощью ам­плитудной модуляции соответствующая полоса частот долж­на составлять 20 и 30 кГц.

МОДУЛЯЦИЯ СИГНАЛОВ

Модуляцией называется процесс изменения одного или нескольких параметров несущего вы­сокочастотного колебания в соответствии с изменением пара­метров передаваемого сигнала.

Ток низких частот свободно распространяется по проводникам (физическим проводам), но излучение и прием электромагнитных волн на этих частотах чрезвычайно затруднен. Для передачи сигналов на большие расстояния с помощью электромагнитных волн необходимо перенести спектр низкочастотного сигнала в область высоких частот (радиочастот). Этот перенос спектра называют модуляцией, которая осуществляется с помощью модулятора. В качестве несущего обычно используется гармоническое колебание, которое характери­зуется тремя параметрами - амплитудой, частотой и фазой.

Суть модуляции заключается в том, что один из параметров высокочастотного гармонического колебания (его называют несущим колебанием, а частоту – несущей частотой) изменяется по закону низкочастотного (управляющего) сигнала, содержащего передаваемое сообщение.

Если пропорционально передаваемому сигналу изменяется амплитуда, то результирующий сигнал называется амплитудно-модулированным (AM), если частота - час­тотно-модулированным (ЧМ), если фаза - то фазомодулированным (ФМ).

Причем в рассматриваемых случаях при изменении лю­бого из указанных параметров два других остаются неизмен­ными. Частотная модуляция тесно связана с фазовой, так как частота колебания — это скорость изменения его фазы, поэто­му вместо ФМ обычно используют фазовую манипуляцию, при которой фаза сигнала изменяется скачками на 180° .

Амплитудная модуляция

При амплитудной модуляции (АМ) амплитуда несущего высокочастотного колебания изменяется по закону управляющего сигнала. Рассмотрим простейший случай АМ колебания, когда управляющим сигналом является также гармоническое колебание.

Амплитудно-модулированное колебание (АМК) имеет вид:

Uам = U_ocos2f_ot + 0.5Mcos2(f_o+F_o)t + 0.5Мcos2(f_o+F_o)t

Где М – глубина амплитудной модуляции,

U_o – амплитуда высокочастотного несущего колебания,

f₀ – частота высокочастотного заполнения,

F₀ – частота низкочастотной огибающей.

Отсюда видно, что исходный низкочастотный сигнал (с частотой F_o) в результате модуляции переносится в область радиочастот (f_o). Спектр модулированного колебания содержит несущую (f_o) и две боковые частоты - верхнюю с частотой (f_o+F_o) и нижнюю с частотой (f_o-F₀).

В общем случае, когда спектр управляющего сигнала занимает полосу частот от F_{мин -} до F_мак в спектре модулированного сигнала возникают боковые полосы - нижняя, с полосой от (f_o-F_мак) - до (f_o-F_мин) и верхняя, с полосой от (f_o+F_мин) – (т.6) до (f_o+F_мак).

Спектр частот, занимаемый АМ-сигналом, сосредоточен около несущей частоты f_o и занимает полосу 2F_мак. Информация об управляющем сигнале содержится в каждой из боковых полос. Дублирование информации устраняется использованием только одной боковой полосы – для однополосной передачи применяют нижнюю боковую полосу, что позволяет почти в 2 раза сократить занимаемую полосу частот и уменьшить потребление энергии.

Угловая модуляция

При частотной модуляции по закону управляющего сигнала изменяется частота несущего колебания около среднего значения f_o.

Частотно-модулированное колебание при модуляции одним тоном имеет вид:

Uчм = А_оcos(2f_o+kScos2F_o).

Максимальное отклонение частоты f_d = kS от f_o называют девиацией частоты.

Аналогично, при фазовой модуляции по закону управляющего сигнала изменяется фаза несущего колебания. Поскольку фаза и частота взаимосвязаны (частота - производная от фазы, а фаза - интеграл от частоты), эти виды модуляции объединяют общим названием - угловая модуляция.

Спектры сигналов при частотной и фазовой модуляции имеют более сложный состав, чем при АМ, однако основные закономерности спектра - несущая и боковые полосы - сохраняются.

Ширина спектра ЧМ-сигнала составляет F_чм = 2М_ч∆F_мак, где как и прежде ∆F_мак - полоса частот, занимаемая управляющим сигналом.

Так как М_ч > 1, спектр ЧМ-сигнала шире спектра АМ-сигнала. Поэтому, в частности, частотную модуляцию используют только в диапазоне ультракоротких волн, чтобы относительная ширина спектра не оказалась чрезмерно большой.

Частотная модуляция обладает большей помехоустойчивостью по сравнению с амплитудной. Это объясняется тем, что помехи на входе приемного устройства приводят, как правило, к случайному изменению амплитуды, т.е. искажают информационный параметр. При частотной модуляции влияние помех на амплитуду сигналов не приводит к изменению информационного параметра - частоты.

Для восстановления низкочастотного сигнала в приемном устройстве осуществляется обратное преобразование – демодуляция (детектирование).

Модуляция двоичными сигналами – манипуляция

При передаче кодированных сообщений управляющие сигналы представляют собой последовательность прямоугольных импульсов и пауз (или импульсов противоположной полярности). В этом случае модулируемый параметр несущего колебания принимает одно из двух фиксированных значения, такую разновидность модуляции называют манипуляцией. По аналогии с модуляцией различают амплитудную, частотную и фазовую манипуляции. Следует отметить, что, в манипуляция (модуляция двоичным сигналом) обладает значительно большей помехоустойчивостью, чем модуляция непрерывным сигналом.

Рис.8

В системах с амплитудной манипуляцией (Amplitude Shift Keying) амплитуда гармонической несущей изменяется в зависимости от того, имеется на входе модулятора 0 или 1. При приеме сигналов с пассивной паузой возникают проблемы с различением амплитуд колебаний при приеме, так как в процессе распространения сигналы ослабевают, и их уровень может оказаться соизмеримым с уровнем помех. Амплитудная модуляция имеет низкую помехоустойчивость, т.е. высокую вероятность ошибочной регистрации двоичных сигналов.

В системах с частотной манипуляцией (Frequency Shift Keying) осуществляется изменение частоты несущей в соответствии с поступившим цифровым сигналом. Формирование частот осуществляется сдвигом несущей частоты "вверх' или "вниз" на некоторую величину(например, на +/- 85 Гц в диапазоне коротких волн, так что f₀ - f₁ = 170 Гц, или на +/-400 Гц в диапазоне УКВ). Частотная манипуляция обладает более высокой помехоустойчивостью по сравнению с амплитудной, так как при частотной манипуляции изменение амплитуды сигнала из-за помех несущественна для правильного приема.

В системах с фазовой манипуляцией (Phase Shift Keying) фазовый сдвиг гармонического колебания изменяется в зависимости от поступившего двоичного сигнала.

Спектры манипулированных сигналов по своей структуре не отличаются от спектров модулированных колебаний - они содержат несущую и две боковые полосы.

Однополосная модуляция (Single-sideband modulation, SSB)

  Теснота в эфире требует сужения спектра частот, излучаемого радиотелефонной станцией при двух­полосной передаче. Сужение спектра частот, занимаемого радиотеле­фонной станцией с амплитудной модуляцией (AM), позволяет решать проблему распределения частот между радиостанциями, которая становится все более острой с дальнейшим развитием морского транс­порта.

Амплитудная модуляция с одной боковой полосой (Single-sideband modulation, SSB) - разновидность амплитудной модуляции (AM), широко применяемая в аппаратуре радиосвязи для эффективного использования спектра канала и мощности передающей радиоаппаратуры.

Анализ спектра амплитудно-модулированного сигнала показывает, что информация о передаваемом сигнале содержится в каждой боковой полосе. В радиосигнале с АМ 50 % мощности передатчика расходуется на излучение сигнала несущей частоты, который не содержит никакой информации о модулирующем сигнале. Остальные 50 % делятся поровну между двумя боковыми частотными полосами, которые представляют собой точное зеркальное отображение друг друга. Несущая с частотой f_о известна на передающей стороне (частота настройки передатчика) и не несет информации о передаваемом сигнале. При максимальном значении коэффициента модуляции, мощность боковой составляющей амплитудно-модулированного сигнала не превышает 25% от мощности несущей, т.е. основная доля мощности приходится на несущее колебание.

Идея исключения несущей частоты и одной из боковых полос из спектра излучаемого сигнала реализована в однополосном передатчике (Single Sideband Transmitter or SSB Transmitter). Двухполосные передатчики в настоящее время в судовой радиосвязи не используются. При однополосной пере­даче в одном и том же диапазоне частот можно разместить в два раза больше радиостанций, чем при двухполосной передаче. Другим пре­имуществом однополосной передачи является увеличение мощности передатчика, так как здесь вся мощность используется для передачи колебаний одной боковой полосы, принимаемой однополосным прием­ником. Для получения на приемной стороне такого же по уровню сигнала, как при двухполосном передатчике, мощность однополосного передатчика составляет 1/3 от мощности двухполосного передатчика. Переход на однополосные сигналы позволяет получить выигрыш по мощности в 4...8 раз.

Кроме того, когда на близких частотах работают несколько станций с однополосной модуляцией, они не создают друг другу помех в виде биений, что происходит при применении амплитудной модуляции с неподавленной несущей частотой. Мощность на передачу ненужной боковой и несущей не рас­ходуется.

К недостаткам однополосной модуляции следует отнести большую сложность формирования сигнала сравнительно с двухполосной амплитудной модуляцией AM. Кроме того, к стабильности частот передатчика и приемника предъявляются более высокие требования чем при однополосной.

Характеристики классов излучений, используемых в морской подвижной службе.

В радиосвязи используют различные виды модулированных колебаний (излучений). Регламентом радиосвязи предусмотрено обозначение трех характеристик излучения.

Первый индекс – буква, обозначающая тип модуляции основной несущей. Излучения, при которых основная несущая модулируется по амплитуде, обозначаются:

А – двухполосная;

Н – однополосная с полной несущей;

R - однополосная с частично подавленной несущей;

J – однополосная с полностью подавленной несущей;

Излучения, при которых несущая имеет угловую модуляцию, обозначаются:

F - частотная модуляция;

G - фазовая модуляция.

Второй индекс – цифра, обозначающая характер сигнала, модулирующего основную несущую.

1 - цифровая информация без использования модулирующей поднесущей;

2 – цифровая информация с использованием поднесущей (звуковой частоты);

3 – аналоговая информация.

Третий индекс – буква, обозначает тип передаваемой информации, например,

А – телеграфия для слухового приема (код Морзе);

В – телеграфия для автоматического приема (буквопечатание – телекс);

Е – телефония;

Обозначение различных классов излучений

А1А - Unmodulated Morse code - немодулированная несущая

A2A - Double-sideband (DSB) modulated Morse - АМ кодом Морзе с двумя боковыми частотами

H3E - SSB Full-carrier telephony (2182 kHz) - Однополосная АМ телефония с полной несущей

J3E - SSB Suppressed - carrier telephony - Однополосная АМ телефония с подавленной несущей

F1B – Telex- ЧМ-буквопечатание (телекс)

J2B - Telex - ЧМ-буквопечатание (телекс)

F3E\G3E - Frequency\Phase modulated telephony - ЧМ/ФМ телефония

АНТЕННЫ

Устройство, предназначенное для излучения радиоволн, называется передающей антенной. Устройство, предназначенное для улавливания радиоволн, называется приемной антенной.

Антенны обладают свойством обратимости : любая передающая антенна может работать как приемная, и наоборот. Однако, во многих случаях конструкции приемных и передающих антенн различны Передающие антенны предназначены для излучения большой мощности. В приемных антеннах протекают слабые токи, такие антенны имеют более простую конструкцию

Антенны характеризуются диаграммой направленности. Диаграмма направленности передающей антенны - это зависимость интенсивности излучения от направления Диаграмма направленности приемной антенны - это зависимость амплитуды э. д. с. (электродвижущая сила), наводимой в антенне, от направления прихода электромагнитной волны Судовые антенны, как правило, являются ненаправленными антеннами, те излучают и принимают одинаково во всех направлениях

Антенна должна быть настроена в резонанс на излучаемой частоте Чем ближе антенная цепь к резонансу, тем больше ток в антенне и тем больше излучаемая электромагнитная энергия Для достижения этой цели длина антенны должна быть соизмерима с длиной излучаемой волны (должна составлять 1/4 длины волны или величину, кратную 1/4 длины волны), что невозможно выполнить для радиостанции, работающей не на одной частоте, а в диапазоне частот. На практике длина судовой УКВ антенны берется соизмеримой с 1/2 длины волны, а длина антенны промежуточных и коротких волн - с 1/4 длины волны

Полное электрическое сопротивление антенны должно быть равно выходному сопротивлению усилителя мощности передатчика. Процесс достижения этого условия называется согласованием антенны, а устройство, которое обеспечивает согласование - согласующим устройством. Согласующие устройства используются, как правило, в радиостанциях промежуточных и коротких волн (эти станции имеют большой коэффициент перекрытия диапазона - отношение верхней и нижней частот диапазона передатчика).

Передающие антенны - устройства для преобразования высокочастотных токов (напряжений) в электромагнитное поле, приемные антенны выполняют обратные преобразования. Соединение антенн с приемниками и передатчиками осуществляется с помощью фидеров - линий для передачи энергии радиочастотных сигналов от радиопередатчика к антенне или от антенны к радиоприемнику.

Антенну можно рассматривать как открытый колебательный контур. В обычном контуре электрическая энергия сосредоточена между обкладками конденсатора, а магнитная - между витками катушки. Для того чтобы "выпустить" электрическое поле наружу, необходимо раздвинуть обкладки конденсатора. Для сохранения значения емкости при этом необходимо увеличивать размеры обкладок. Аналогичным образом создается внешнее магнитное поле. В пределе колебательный контур превращается в два провода. Т.о. антенны представляют собой цепи с распределенными параметрами, в которых индуктивность и емкость распределены вдоль проводника, длина которого должна быть соизмерима с длиной волны электрических сигналов. Для создания электромагнитных волн необходимо подключить сигнал в разрыв между проводами, которые называются вибратором. Максимальную энергию вибратор излучает при резонансе, т.е. когда длина проводников равна половине длины волны. Такую антенну называют полуволновым вибратором.

Если вибратор поместить в переменное электромагнитное поле, под влиянием поля в нем возникнут колебания тока и напряжения, т.е. вибратор в этом случае выполняет роль приемной антенны.

Максимальное значение амплитуды тока возникнет, когда длина приходящей волны равна удвоенной длине вибратора. Максимальное значение тока возникает в середине вибратора, поэтому фидер (провод) для передачи тока к приемнику следует подключать к разрыву в середине вибратора (такой вибратор называют симметричным).

Симметричный полувибратор

Структура электрического Е и магнитного H полей вблизи диполя: пунктир - силовые линии электрического поля; тонкие линии — силовые линии магнитного поля; О - точка наблюдения.

Антенны излучают или принимают электромагнитные волны в различных направлениях неодинаково. Характеристикой направленности антенны называют зависимость мощности излучения от направления на одинаковом расстоянии от антенны. График этой зависимости называют диаграммой направленности, численное значение - коэффициентом направленности.

На рисунке показана диаграмма направленности полуволнового вибратора для плоскости, в которой он расположен (вертикальная ДН), и плоскости, перпендикулярной его оси (горизонтальная ДН). В первом случае существуют два максимума излучения (приема) в направлении, перпендикулярном оси вибратора, во втором случае вибратор излучает энергию равномерно во всех направлениях.

Приведенная на рисунке диаграмма направленности симметричного полувибратора соответствует случаю, когда он расположен далеко от поверхности земли (на расстоянии много больше длины волны), т.е. в свободном пространстве. Проводящая земная поверхность изменяет характер процессов в антенне и ее диаграмму направленности.

Вертикальный несимметричный вибратор

Влияние земной поверхности можно учесть с помощью зеркального изображения антенны. Рассмотрим вертикальный проводник длиной L, касающийся одним концом земной поверхности. Резонансная длина волны такого вертикального несимметричного вибратора равна учетверенной длине вибратора. Такие антенны (их называют "штыри") устанавливают на судах. При длине вибратора меньше четверти длины волны для увеличения "электрической" длины антенны к верхнему концу присоединяют отрезок горизонтального провода, что создает дополнительную емкость (Г- или Т-образная антенна).

При изменении длины волны излучения для настройки антенны в резонанс используют согласующее устройство - включают колебательный контур с переменными параметрами. Согласующее устройство включают на выходе радиопередающего устройства для увеличения мощности, передаваемой в антенну. В современных радиопередатчиках настройка согласующего устройства осуществляется автоматически.

Судовые антенны.

УКВ-радиостанция имеет, как правило, одну приемопередающую антенну, представляющую собой несимметричный вибратор высотой до 1,2 метра, устанавливаемый вертикально

В диапазоне промежуточных и коротких волн могут использоваться штыревые антенны (высотой 6-10 метров), антенны-мачты и проволочные антенны. Проволочные антенны могут быть Г- или Т-образной формы. Для изоляции антенн используются специальные высокочастотные изоляторы, рассчитанные на соответствующее рабочее напряжение и механическую нагрузку. При длине проволочной антенны более 25 метров она должна обязательно иметь приспособление для предотвращения обрыва при сильном натяжении (например, страховую петлю с механическим предохранителем в антенном фале с разрывным усилием механического предохранителя не более 0,3 разрывного усилия антенного канатика. Проволочная антенна ПВ диапазона должна иметь полностью смонтированную запасную антенну и устройство для быстрой ее замены.

Рамочные и магнитные антенны

Для уменьшения размеров антенн применяют рамочные и магнитные антенны, которые реагируют на магнитную составляющую электромагнитного поля. Рамочная антенна представляет собой плоскую катушку прямоугольной или круглой формы, витки которой намотаны на жесткую рамку.

Магнитная антенна представляет собой катушку с ферритовым сердечником. Эти антенны являются также слабонаправленными - диаграмма направленности рамочной антенны аналогична диаграмме симметричного вибратора, расположенного вдоль оси рамки, магнитная антенна имеет нуль диаграммы вдоль оси антенны. Эти антенны менее чувствительны, чем, например, Г-образная.

Направленные антенны.

В диапазоне УКВ для увеличения дальности широко используются направленные антенны.

1 - кабель питания; 2 - рефлектор; 3 - директоры; 4 - активный вибратор. Направление максимального излучения показано стрелкой.

Например, антенна типа "волновой канал", имеет диаграмму направленности в виде узкого вытянутого в одну сторону лепестка. Такая диаграмма направленности достигается за счет добавления к симметричному вибратору рефлектора (за вибратором) и директоров ( до 8 - перед вибратором) - см. рис.3.4. Подобные антенны применяются в телевидении для приема дециметровых каналов.

В радиолокации (сантиметровый и миллиметровый диапазон волн) используются рупорные и щелевые антенны.

Для передачи электромагнитной энергии в этих диапазонах используются специальные линии - волноводы. В спутниковых системах связи применяют направленные антенны (Inmarsat-В), или не направленные антенны ( Inmarsat-C и др.).

Линии передачи.

Для передачи энергии от передатчика к антенне (или от антенны к приемнику) применяют специальные линии - фидеры, имеющие малые потери энергии в них на радиочастотах. Простейшей линией передачи является двухпроводная линия. Расстояние между проводами линии значительно меньше длины волны. Токи, текущие в проводниках, имеют разное направление, в результате чего поля вокруг проводников взаимно компенсируются и излучения энергии не происходит. Коаксиальный кабель, является несимметричной линией передачи. Внешний его проводник (оплетка) всегда соединяется с землей, что экранирует поле, создаваемое внутренним проводником. На очень высоких частотах (для длин волн короче 10 см) используют волноводные линии передачи, в которых энергия распространяется внутри полости волновода. Фидерные линии характеризуются волновым сопротивлением равным нагрузке. В них устанавливается режим "бегущей волны". У двухпроводных линий волновые сопротивления обычно лежат в пределах 150-600 Ом, у коаксиальных кабелей - 50-200 Ом. Если активное сопротивление антенны не равно волновому сопротивлению фидера, то в ней устанавливается режим "стоячей волны", измеряемый соответствующим коэффициентом - КСВ (SWR).

Для уменьшения КСВ (идеальный вариант - КСВ = 1) применяются всевозможные согласующие устройства, которые согласуют сопротивления линии и антенны, а также компенсируют реактивные составляющие антенны. В качестве согласующих устройств применяют трансформаторы, отрезки фидерных линий и другие устройства. Следует также учесть, что физическая длина коаксиального фидера не совпадает с его "электрической длиной" и поэтому одним из вариантов согласования является подгонка его длины. В оптимальном варианте - длина кабеля должна быть кратна половины длины рабочей волны, умноженной на коэффициент укорочения наполнителя (в зависимости от типа коаксиального кабеля он изменяется в пределах от 0,66 до 0,85). В современных передающих устройствах (с транзисторными выходными каскадами) величина их сопротивления близка к волновому сопротивлению используемых фидеров, а в ламповых - несколько отлична. Поэтому, в последних, между выходом такого передатчика и фидером ставят блок настройки. Его функцию выполняет П-контур передатчика.

Генераторы гармонических колебаний

Электронным генератором называется устройство форми­рования незатухающих электрических колебаний той или иной формы, выполненное на основе применения электрон­ных приборов. В состав электронного генератора входит, как правило, усилитель, который за счет энергии источника пита­ния создает на выходе генератора колебания заданной мощ­ности. Для поддержания их незатухающими необходимо на вход усилителя постоянно подавать колебания неубывающей амплитуды. В простейшем случае это может быть часть коле­бания, выделяющегося в нагрузке, и передающегося по цепи обратной связи на вход усилителя. Таким образом, структур­ная схема электронного генератора должна состоять, как ми­нимум, из двух блоков: усилителя и цепи обратной связи.

Для создания генератора необходимо выполнение баланса амплитуд и баланса фаз. Формируемое колебание знакопеременно и значение сигнала, подаваемого на вход усилителя, охваченного обратной связью, зависит от фазы колебания, про­шедшего по петле этой связи. При синфазности сигнала, про­шедшего по петле обратной связи, с первоначальным их воз­действия складываются, увеличивая результирующее прояв­ление, при противофазности - вычитаются, компенсируя его.

Генератор, работающий в режиме самовозбуждения, на­зывается автогенератором. В нем, как указывалось выше, часть выходного колебания передается на вход усилителя че­рез цепь обратной связи. Учитывая, что режимы возникновения колебаний и поддержания их ста­ционарными близки, но не одинаковы, можно сде­лать вывод, что автогенератор должен сначала работать в пер­вом из них, а затем во втором. При малых амплитудах он будет способствовать возрастанию колебаний, а затем (при больших амплитудах) поддерживать колебания неизменными.

Генератор гармонических колебаний с трансформаторной обратной связью

Генератором гармонических колебаний называют уст­ройство, формирующее колебания синусоидальной формы. По построению цепи ОС их делят на трансформаторные, если в качестве ее используется транс­форматор, трехточечные - при использовании отвода (сред­ней точки) одной из ветвей колебательного контура, RC-генераторы. В усилитель­ных каскадах любых автогенераторов активные элементы обычно используют в режимах максимального усиления: би­полярные транзисторы включают по схеме с ОЭ, полевые - с общим истоком, лампы - с общим катодом. Коэффициент уси­ления таких каскадов составляет десятки и сотни, поэтому для выполнения условия существования в автогенераторе коле­баний коэффициент передачи цепи обратной связи может быть выбран любым, а значит, баланс амплитуд обычно обеспечивается без труда.

Особенностью перечисленных каскадов является нали­чие сдвига фаз между их выходным и входным напряжения­ми, который составляет 180°. В этом случае для обеспечения в автогенераторах баланса фаз необходимо, чтобы сдвиг фаз между выходным и входным напряжениями цепи обратной связи тоже составлял 180°. Это достигается разными спосо­бами.

На рисунке ниже приведена принципиальная схема одного из наиболее простых и распространенных - трансформаторного генератора гармонических колебаний.

Трехточечный генератор гармонических колебаний

В некоторых генераторах в качестве цепи обратной связи используется ветвь параллельного колебательного контура, состоящая из последовательно соединенных конденсатора и катушки индуктивности. Если другая его ветвь содержит толь­ко катушку индуктивности, то говорят об индуктивной трехточке, а если конденсатор, то - об емкостной. В таких автоге­нераторах усилительный элемент оказывается подключенным к трем точкам колебательного контура, поэтому они называ­ются трехточечными.

Одна из схем такого генератора приведена на рисунке ниже. В нем усилитель собран на транзисторе VT, включенном по схеме с ОЭ. Его полезной нагрузкой служит колебательный контур (C1 C₂,L_K).

Как и в генераторе гармонических колебаний с трансфор­маторной обратной связью, здесь внешняя нагрузка может быть подключена либо традиционным способом - через разделитель­ный конденсатор к выходу усилителя (между коллектором и эмиттером VT), либо с помощью дополнительной катушки свя­зи, размещенной на общем сердечнике. Резистор Rк - обес­печивает подачу на транзистор на­пряжения питания и предотвра­щает замыкание по переменному току конденсатора С₂. Конденса­тор Ср - разделительный, он пре­пятствует передаче постоянного напряжения из коллекторной цепи в цепь базы. Резистор R1 создает начальное смещение, переводя автогенератор из жесткого режима самовозбуждения в мягкий.

RC – генераторы гармонических колебаний

Недостатком генераторов гармонических колебаний с использованием резонансных усилителей является необходи­мость применения в них колебательных контуров, катушки индуктивности которых в случае низкочастотного диапазона оказываются громоздкими. Это затрудняет микроминиатюри­зацию аппаратуры. Поэтому актуальным является создание генераторов, не имеющих катушек индуктивности. Одним из их вариантов являются RC-генераторы. В них фильтрация колебаний и сдвиг фаз между выходным и входным напряже­ниями цепи обратной связи создается при помощи RC-ячеек. Существует несколько разновидностей таких генераторов, одна из которых приведена на риссунке.

На рисунке слева приведена функциональная, а на рисунке справа - принципиальная схемы генератора с набором RC-ячеек в цепи обратной связи. Здесь, как и обычно, внешняя нагрузка мо­жет быть подключена к генератору через дополнительный раз­делительный конденсатор, подсоединенный к выходу усили­теля (между коллектором и эмиттером VT). Как известно, при последовательно соединенных резисторе и конденсаторе сдвиг фаз, возникающий между напряжением на любом из них и суммарном напряжении, действующем на входе такой цепи, может изменяться от 0 до 90°.

Значит, для обеспечения сдвига фаз 180° достаточно использовать две такие ячейки. Однако в этом случае коэффициент передачи цепи будет стремиться к нулю, что в автогенераторах затруднит выполнение баланса амплитуд. Поэтому компромиссным считается использование трех RC-ячеек, сдвиг фазы в каждой из которых выбирают близким к 60°, тогда суммарный сдвиг фаз составит 180°. Если, как и раньше, в качестве усилителя использовать каскад, соз­дающий сдвиг фаз 180°, то общий сдвиг фаз составит 360° и баланс фаз будет выполнен.

Импульсные генераторы

Импульсными генераторами называются устройства фор­мирования негармонических колебаний. Их форма может быть любой: прямоугольной, треугольной, пилообразной или лю­бой другой и, как правило, по ее виду вводят названия генера­торов, например: генераторы прямоугольных сигналов, гене­раторы пилообразных импульсов и т. д.

Специфичность формы генерируемых колебаний вносит особенности, отличающие работу импульсных генераторов от автогенераторов гармонических сигналов. Активные эле­менты последних (транзисторы, электронные лампы) обыч­но работают в непрерывном режиме, при котором выполня­ются оба условия самовозбуждения - балансы амплитуд и фаз. При генерировании прямоугольных колебаний основ­ное их формирование происходит, как правило, когда актив­ные элементы генератора находятся либо в закрытом, либо пол­ностью открытом (вплоть до насыщения) состоянии. И лишь при формировании фронта и среза колебания они находятся в активном режиме, при котором выполняются балансы ам­плитуд и фаз. Это обеспечивает высокую скорость перехода активных элементов из одного состояния в другое, крутые фронт и срез, а значит, генерацию формы сигналов, близкую к идеальной.

Генератор линейно изменяющегося напряжения

Генераторы линейно изменяюще­гося напряжения (ГЛИН) наряду с генераторами ли­нейно изменяющегося тока (ГЛИТ) служат для формирования пило­образного колебания и используются в схемах управления, перестройки частоты, широтно-импульсных модуляторах, схе­мах развертки изображения и т. д. Существует значительное число вариантов построения таких генераторов, но наиболее распространенные из них работают на основе заряда и разря­да конденсатора.

Здесь резистор R1 подает на транзистор VT начальное сме­щение, поддерживающее его в открытом и насыщенном состоя­нии. Промежуток коллектор-эмиттер открытого транзистора подключен параллельно конденсатору С и поддерживает на нем напряжение, близкое к нулю. Если в момент времени to между базой и эмиттером транзистора подать напряжение запираю­щей полярности и_БЭ, то VT закрывается, и его шунтирующее действие на конденсатор прекращается. От ис­точника питания Е_п через резистор R₃ начинает протекать ток заряда конденсатора, и напряжение на нем, равное напряже­нию и_кэ= и_вых, начинает возрастать. В момент t импульс, запирающий VT, прекращается, и тран­зистор опять переходит в открытое и насыщенное состояние.

Малое сопротивление коллектор-эмиттерного промежутка раз­ряжает конденсатор, и напряжение на нем в идеальном слу­чае мгновенно падает до нуля. Таким образом, на выходе ге­нератора оказывается сформированным пилообразный им­пульс напряжения. При подаче следующего запирающего импульса все процессы повторяются.

РАДИОРЕРЕДАЮЩИЕ И РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА

Характеристики канала связи

Основной задачей радиотехники является передача сообще­ний на расстояния, их прием и воспроизведение. Сообщения могут быть различными: звуковыми, телевизионными, пред­ставлять собой набор данных и так далее. Для их передачи используют канал связи - совокупность технических средств и физической среды распространения, в которой сигналы, ото­бражающие передаваемую информацию, распространяются от ее источника к ее получателю. Существует разветвленная сис­тема классификации каналов связи (или телекоммуникаций). Они разделяются:

- по виду передаваемых сообщений - каналы электросвязи (передачи и приема сигналов, отображающих звуки, изображения, письменный текст, знаки или сообще­ния любого рода по электромагнитным системам), каналы передачи данных, телеметрические и т. д.;

- по виду среды рас­пространения - каналы радиосвязи, проводной, гидроаку­стической связи, оптико-электронные каналы;

- по характеру сигналов на входе и выходе каналов - непрерывный (анало­говый) канал (на входе и выходе которого сигналы имеют не­прерывный вид), дискретный (цифровой) канал (при цифро­вых сигналах) и дискретно-непрерывные или полунепрерыв­ные каналы (на входе которых действует дискретный, а на выходе - непрерывный сигналы).

Одним из важных признаков каналов является диапазон используемых в них частот.

Способы организации радиолиний

По способу организации радиолиний различают одностороннюю и двустороннюю радиосвязь. Радиосвязь, при которой одна из ра­диолиний осуществляет только передачу, а другая – только прием, называется односторонней. Односторонняя радиосвязь, при кото­рой радиопередачу одной (основной) радиостанции могут прини­мать одновременно несколько корреспондентов, называется цирку­лярной. Примерами односторонней циркулярной передачи сообще­ний являются системы оповещения, службы передачи сообщений из пресс-центров редакциям газет, журналов и т.д. Сети телевизионно­го и звукового вещания также представляют собой типичные образ­цы циркулярного способа организации радиосвязи. При этом радио­передающая станция, среда распространения радиосигналов (от­крытое пространство) и каждое радиоприемное устройство, нахо­дящееся в зоне действия станции, образуют одностороннюю радио­линию, а совокупность таких радиолиний – сеть радиовещания.

Двусторонняя радиосвязь предполагает возможность передачи и приема информации каждой радиостанцией. Для этого нужны два комплекта оборудования односторонней связи, т.е. в каждом пункте надо иметь и передатчик и приемник. Двусторонняя связь может быть симплексной и дуплексной (рис. 2). При симплексной радио­связи передача и прием на каждой радиостанции ведутся пооче­редно. Радиопередатчики в конечных пунктах линии связи в этом случае работают на одинаковой частоте, на ту же частоту настрое­ны и приемники.

Схемы организации двусторонней радиосвязи: а-симплексная радиосвязь, б-дуплексная связь

При дуплексной радиосвязи радиопередача осуществляется од­новременно с приемом. Для каждой дуплексной линии радиосвязи должны быть выделены две разные частоты. Это делается для то­го, чтобы приемник принимал сигналы только от передатчика с про­тивоположного пункта и не принимал сигналы собственного радио­передатчика. Радиопередатчики и радиоприемники обоих коррес­пондентов дуплексной радиосвязи включены в течение всего вре­мени работы линии радиосвязи.