Глава 1 Назначение и виды систем и устройств радиосвязи, радиовещания и телевидения

Схемотехника устройств РС, РВ и ТВ определяется их назначением в системах РС, РВ и ТВ, в состав которых они входят, и теми задачами, которые решаются этими системами. А задачи эти, по существу, сводятся к следующему:

а) на передающем конце радиосистемы – к формированию и многократному усилению электрических сигналов, отображающих информацию о тех или иных физических процессах, к модуляции этими сигналами несущей радиочастоты, многократному усилению модулированных радиосигналов и последующей передаче их с помощью передающей антенны, формирующей электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве на большие расстояния;

б) на приемном конце радиосистемы – к улавливанию электромагнитных колебаний с помощью приемной антенны, преобразующей их в радиочастотное напряжение, и к последующей обработке в радиоприемном устройстве принятых модулированных радиосигналов с приведением их к виду, обеспечивающему использование содержащейся в них информации (обработка включает в себя многократное усиление, фильтрацию и демодуляцию принятых модулированных радиосигналов, многократное усиление демодулированных сигналов с последующим получением в оконечных устройствах содержащейся в них информации).

Существенное влияние на схемотехнику устройств оказывают также частоты, на которых работают устройства. По этому признаку различают схемотехнику устройств трактов частот модуляции (на передающем конце – тракт от источника сигнала до модулятора, а на приемном конце – тракт от демодулятора до оконечного устройства) и схемотехнику устройств трактов радиочастот (на передающем конце – тракт от модулятора до выхода передающей антенны, а на приемном конце – тракт от входа приемной антенны до демодулятора).

Схемотехника устройств трактов частот модуляции определяется значениями частот модуляции и практически не зависит от схемотехники трактов радиочастот. Эта схемотехника является основополагающей и в дисциплине “Схемотехника устройств РС, РВ и ТВ” ей отводится центральное место.

Что касается схемотехники устройств трактов радиочастот, то она зависит как от значений радиочастот (в основном), так и от значений частот модуляции. Согласно рекомендациям МККР (Международного консультативного комитета по радио) при построении радиосистем в качестве несущих радиочастот используются частоты, располагающиеся в спектре от до Гц, который делится на девять диапазонов:

• диапазон очень низких частот (ОНЧ) от 3 до 30 кГц или диапазон мириаметровых волн от 100 до 10 км (диапазон очень длинных волн - ОДВ);

• диапазон низких частот (НЧ) от 30 до 300 кГц или диапазон километровых волн от 10 до 1 км, называемых длинными волнами(ДВ);

• диапазон средних частот (СЧ) от 300 до 3000 кГц или диапазон гектометровых волн от1000 до 100 м, называемых средними волнами (СВ);

• диапазон высоких частот (ВЧ) от 3 до 30 мГц или диапазон декаметровых волн от 100 до 10 м, называемых короткими волнами (КВ);

• диапазон очень высоких частот (ОВЧ) от 30 до 300 мГц или диапазон метровых волн от 10 до 1 м, называемых ультракороткими волнами (УКВ);

• диапазон ультравысоких частот (УВЧ) от 300 до 3000 мГц или диапазон дециметровых волн (ДМВ) от 100 до 10 см;

• диапазон сверхвысоких частот (СВЧ) от 3 до 30 ГГц или диапазон сантиметровых волн от 10 до 1 см;

• диапазон крайне высоких частот (КВЧ) от 30 до 300 ГГц или диапазон миллиметровых волн от10 до 1 мм;

• диапазон гипервысоких частот (ГВЧ) от 300 до 3000 ГГц или диапазон децимиллиметровых волн от 1 до 0,1 мм.

Далее располагается перспективный оптический диапазон частот от до Гц (от 3 до 30000 ТГц), включающий в себя инфракрасные волны от 100 до 0,74 мкм, видимые волны от 0,74 до 0,38 мкм и ультрафиолетовые волны от 0,38 до 0,01 мкм.

Следует иметь в виду, что в литературе нередко термином СВЧ обозначают не только сантиметровые, но и дециметровые и миллиметровые волны, что обусловлено большой общностью элементной базы, схемных и конструктивных решений устройств на этих волнах.

Современные радиосистемы строятся во всех радиодиапазонах и особенно в диапазонах от НЧ до КВЧ (или, иначе говоря, в диапазонах от ДВ до миллиметровых волн) включительно, а в последнее время и на инфракрасных и видимых волнах оптического диапазона.

Специфика схемотехники устройств трактов радиочастот на всех радиодиапазонах, а также в оптическом диапазоне, рассматривается в специальных профилирующих дисциплинах, при этом учитывается и схемотехника трактов частот модуляции.

Ниже в порядке иллюстрации приводится ряд упрощенных структурных (функциональных) схем различных систем РС, РВ и ТВ.

На рис1.1 приведена упрощенная однопроводная структурная (функциональная) схема наземной системы звукового монофонического радиовещания (РВ).

На передающем конце системы РВ с помощью микрофона (М) формируются электрические сигналы, отображающие речь, музыку и пение. Эти сигналы звуковой частоты f подвергаются многократному усилению с помощью усилителя звуковой частоты (УЗЧ) и подводятся к передающему устройству, где в модуляторе несущей частоты звука (МНЧЗ) модулируют колебания несущей частоты звука f_{0_ЗВ}, вырабатываемые генератором несущей частоты звука (ГНЧЗ). Модулированные сигналы подвергаются большому усилению в усилителе радиочастоты (УРЧ) и подводятся к передающей антенне

(А_ПЕР), которая создает мощное электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве на большие расстояния.

На приемном конце приемная антенна (А_ПР) воспринимает энергию электромагнитного поля и преобразует ее в радиочастотное напряжение, поступающее на вход радиоприемника супергетеродинного типа. Входные цепи (ВЦ) радиоприемника выделяют из спектра входных колебаний полезные сигналы, ослабляя действие помех, присутствующих во входном сигнале. Затем эти сигналы усиливаются в усилителе радиочастоты (УРЧ) с дополнительным ослаблением действия помех и подводятся к преобразователю частоты, состоящему из гетеродина (Г), вырабатывающего колебания с частотой f_Г, и смесителя (См), в котором радиосигналы и колебания гетеродина взаимодействуют между собой, в результате чего образуются новые частоты, в том числе и нужная промежуточная частота, например, f_ПР=f_Г-f_С или f_ПР=f_С-f_Г. При этом форма сигналов промежуточной частоты точно соответствует форме приходящих радиосигналов. Эти сигналы промежуточной частоты подвергаются большому усилению в усилителе промежуточной частоты (УПЧ) с дополнительным ослаблением помех и подводятся к детектору (Д), на выходе которого выделяются сигналы частот модуляции f, повторяющие сигналы звуковой частоты на передающем конце. Эти продетектированные сигналы подвергаются большому усилению в усилителе звуковой частоты (УЗЧ) и подводятся к оконечному устройству (ОУ), например, к электродинамическому громкоговорителю или телефону, в котором энергия выделяемых сигналов используется для получения требуемого звукового эффекта. Оконечное устройство может быть совмещено с приемником или представлять собой отдельное устройство. Одновременно с этим выделенные усиленные сигналы подводятся к последующему вещательному тракту: линия  мощный трансляционный усилитель  трансляционная абонентская сеть  абонентские громкоговорители.

Наряду с монофоническим вещанием применяется и стереофоническое вещание, дающее представление о пространственном местонахождении источника звука и его перемещении. В стереофоническом вещании передаются два звуковых сигнала, один с левой стороны от источника сигнала, другой – с правой. При такой двухканальной передаче получается достаточно хороший стереоэффект. Оба звуковых сигнала передаются через один радиопередатчик на одной несущей частоте. Система стереофонического вещания в схемотехническом отношении несколько сложнее системы монофонического вещания как на передающем, так и на приемном концах. Вместе с тем, следует отметить ее совместимость с обычным монофоническим приемником, что позволяет слушателю принимать стереопрограмму обычным радиоприемником как монофоническую.

Звуковое вещание осуществляется в диапазонах длинных волн (ДВ), средних волн (СВ), коротких волн (КВ), ультракоротких волн (УКВ) и дециметровых волн (ДМВ), при этом в диапазонах ДВ, СВ и КВ используется амплитудная модуляция (АМ) с шагом сетки рабочих частот порядка 10кГц, а на УКВ и ДМВ для моно- и стереофонического вещания – широкополосная частотная модуляция (ЧМ) с шагом сетки рабочих частот 250кГц (а в последнее время и АМ-стерео).

Приемники, предназначенные для использования в системе звукового вещания, обычно обеспечивают прием программ в нескольких диапазонах волн: ДВ, СВ, КВ, УКВ и ДМВ. При этом для обеспечения приема АМ сигналов в диапазонах ДВ, СВ, КВ и ЧМ сигналов в диапазонах УКВ и ДМВ приемники содержат отдельные тракты радио и промежуточной частоты соответственно с АМ и ЧМ детекторами и общий тракт УЗЧ и ОУ. Промежуточная частота сигналов диапазонов ДВ, СВ и КВ равна 465кГц, а сигналов диапазона УКВ – 10,7мГц. Прием программ КВ и УКВ, ДМВ вещательных станций чаще всего ведется с помощью штыревой (телескопической) антенны, а программ ДВ и СВ – с помощью встроенных магнитных ферритовых антенн. Предусматривается работа и от внешних антенн. Подробно вопросы звукового радиовещания рассматриваются в специальных дисциплинах: «Радиоприемные устройства», «Радиопередающие устройства», «Радиовещание и электроакустика».

Системы телевизионного вещания (ТВ) сложнее систем радиовещания. В настоящее время применяются совместимые системы цветного и черно-белого телевидения. Это значит, что сигналы цветного или черно-белого телевидения передаются в одинаковой полосе частот, а сигналы цветного телевидения могут быть приняты черно-белым телевизором и наоборот. Более простой является система черно-белого телевидения. Ее суть иллюстрируется упрощенной однопроводной структурной схемой наземной системы черно-белого телевидения, приведенной на рис.1.2. На передающем конце (на телецентре), кроме звукового тракта (М – УЗЧ – МНЧЗ - ГНЧЗ), в котором формируется модулированный сигнал с несущей частотой звука f_{0_ЗВ.}, имеется тракт изображения (ПТТ – УСКР – СГ – УВС – МНЧИ - ГНЧИ). В этом тракте с помощью передающей телевизионной трубки (ПТТ) вместе с устройствами строчной и кадровой разверток (УСКР) и генератора синхронизирующих и гасящих строчных и кадровых импульсов (СГ) формируется видеосигнал, состоящий из сигнала изображения с замешанными в него синхронизирующими и гасящими импульсами. Этот видеосигнал подвергается большому усилению в усилителе видеосигналов (УВС) и подводится к модулятору несущей частоты изображения (МНЧИ), где модулирует колебания несущей частоты изображения f_{0_ИЗ}, вырабатываемые одноименным генератором (ГНЧИ).

Модулированные сигналы изображения и звука усиливаются в усилителе радиочастоты (УРЧИЗ) и подводятся к передающей телевизионной антенне (А_ПЕР), создающей электромагнитное поле, распространяющееся на большие расстояния. С выхода приемной телевизионной антенны (А_ПР) радиочастотные сигналы изображения и звука поступают в преселектор телевизионного радиоприемника – входную цепь и усилитель радиочастоты изображения и звука (ВЦИЗ и УРЧИЗ), где подвергаются предварительной селекции и усилению.

С выхода УРЧИЗ усиленные радиочастотные сигналы изображения и звука подводятся к смесителю (См), в котором преобразуются в сигналы промежуточной частоты изображения и звука f_{ПР.ИЗ.ЗВ}. Эти сигналы подвергаются большому усилению в усилителе промежуточной частоты изображения и звука (УПЧИЗ) с высокими избирательными свойствами и подводятся к видеодетектору (ВД), на выходе которого выделяются отдельно видеосигнал и модулированная промежуточная частота звука. Видеосигнал подвергается большому усилению в усилителе видеосигналов (УВС) и подводится к кинескопу, на экране которого воспроизводится передаваемое изображение. Устойчивость изображения обеспечивается синхронизирующими импульсами, выделяемыми из принятого видеосигнала с помощью селектора строчных и кадровых синхронизирующих импульсов (ССКСИ): они управляют работой устройств строчной и кадровой развертки (УСКР) вместе с отклоняющей системой (ОС) кинескопа.

А выделенная модулированная промежуточная частота звука усиливается в усилителе промежуточной частоты звука (УПЧЗ) и детектируется в детекторе звука (ДЗ). Продетектированный звуковой сигнал подвергается большому усилению в усилителе звуковой частоты (УЗЧ) и используется для получения требуемого звукового эффекта в оконечном устройстве (ОУ), в качестве которого могут использоваться электродинамические громкоговорители или телефоны.

Телевизионное вещание осуществляется в четырех поддиапазонах частот:

• I поддиапазон: 48,5…66 мГц ( 1 и 2 каналы);

• II поддиапазон: 76…100 мГц ( 3…5 каналы);

• III поддиапазон: 174…230 мГц ( 6…12 каналы);

• IV поддиапазон: 470…790 мГц (21…60 каналы).

Возможны каналы и в диапазоне до 1000мГц. На один телевизионный канал отводится полоса частот 8мГц. В каждом канале для передачи сигналов изображения используется амплитудная модуляция несущей сигналов изображения с частично подавленной нижней боковой полосой частот, а для передачи сигналов звукового сопровождения – частотная модуляция несущей сигналов звука с максимальной девиацией частоты 50кГц. Разнос частот между несущими частотами сигналов изображения и звука составляет 6,5мГц. Промежуточные частоты сигналов изображения и звука равны соответственно 38мГц и 31,5мГц.

Вещательные телевизионные приемники черно-белого и цветного изображения осуществляют прием программ наземных телевизионных систем в диапазонах УКВ и ДМВ. Для этого они имеют отдельные входы для антенн диапазонов УКВ и ДМВ и соответственно отдельные радиотракты для этих диапазонов. Подробно вопросы телевизионного вещания рассматриваются в курсах «Радиоприемные устройства», «Радиопередающие устройства», «Телевидение».

Что касается многочисленных систем радиосвязи (РС), то они предназначены для передачи и приема специальной и служебной информации. По роду передаваемой информации радиосвязь может быть радиотелефонной, радиотелеграфной, фототелеграфной (передача и прием неподвижных изображений), телевизионной (передача и прием подвижных изображений) и др. При этом на передающем конце в качестве источников информации могут использоваться не только микрофон и передающая телевизионная трубка, но и другие специальные источники сообщений, и наряду с АМ и ЧМ может применяться фазовая модуляция (ФМ) и фазовая манипуляция (ФМан), а на одной несущей частоте может передаваться много независимых сообщений либо на поднесущих частотах, то есть с частотным уплотнением, либо с временным уплотнением (многоканальные радиосистемы с частотным или временным уплотнением) и т.д. В порядке иллюстрации приема многоканального радиосигнала на рис. 1.3. приведена в упрощенном виде структурная схема радиоприемного устройства, в котором после общего тракта ВЦ – УРЧ – См – УПЧ – Д – ГУЧМ, заканчивающегося групповым усилителем частот модуляции (ГУЧМ), следуют устройства разделения каналов (УРК), а за ними демодуляторы (ДМ), усилители частот модуляции (УЧМ) и специальные оконечные устройства (ОУ) каналов.

По функциональному назначению радиосвязь может быть:

• магистральной, зоновой, местной, авиационной, морской, железнодорожной и др., осуществляемой на декаметровых волнах (КВ). Вид передаваемой информации – радиотелефония, радиотелеграфия с АМ, ЧМ и ФМ;

• наземной радиорелейной, состоящей из двух оконечных станций (ОРС) и ряда активных ретрансляционных промежуточных станций (ПРС) с расстоянием между соседними станциями порядка 10…70км (в зависимости от рельефа местности) и работающих в дециметровом и сантиметровом диапазонах (2, 4, 6, 8, 11, 13, 18 ГГц и в более высокочастотных); РРЛ обеспечивают передачу сигналов многоканальной телефонии и телевизионного вещания и т.д.; В них используется и частотное уплотнение каналов с ЧМ несущей, и временное уплотнение каналов с аналоговой модуляцией импульсов, которые затем модулируют несущую, и временное уплотнение каналов с цифровыми методами передачи;

• спутниковой, представляющей собой сеть земных передающих и приемных станций, связываемых друг с другом с помощью бортовых ретрансляторов, размещенных на искусственных спутниках Земли (ИСЗ) и работающих в дециметровом и сантиметровом диапазонах : в частности, в диапазонах 6,14 и 17ГГц на линиях Земля-ИСЗ и в диапазонах 4 и 12ГГц на линиях ИСЗ-Земля; Спутниковая связь используется и для телевизионного вещания, и для передачи специальной информации; Аналоговые сигналы передаются с частотным уплотнением и ЧМ, дискретные сигналы передаются с помощью фазовой манипуляции и т.д.; Наряду с такими системами спутниковой связи представляют интерес и системы прямой межспутниковой связи и телевизионных систем высокой четкости на миллиметровых, децимиллиметровых и оптических волнах;

• сотовой (системы персонального радиовызова), позволяющей передавать информацию одному человеку или группе людей независимо от места их нахождения, и работающих в диапазонах метровых (УКВ) и дециметровых волн (ДМВ) вплоть до 1ГГц;

• радиолокационные, радионавигационные, радиоастрономические и т.д.

Подробно вопросы профессиональной радиосвязи рассматриваются в курсах «Системы радиосвязи и телевизионного вещания», «Радиоприемные устройства», «Сети связи с подвижными объектами» и др.

На рис.1.1, 1.2, 1.3 приведены структурные схемы радиоприемников с однократным преобразованием частоты. Однократное преобразование частоты используется в основном в радиоприемниках звукового и телевизионного вещания. Это наиболее простые супергетеродинные приемники. В специальных профессиональных радиоприемниках обычно применяется двукратное и трехкратное преобразование частоты сигнала.

Приведенный неполный обзор показывает все многообразие устройств РС, РВ и ТВ. Вместе с тем этот обзор показывает, что основой построения систем и всей аппаратуры РС, РВ и ТВ являются усилители электрических сигналов: усиление электрических сигналов является фундаментальным свойством всей аппаратуры обработки сигналов.

В зависимости от вида обрабатываемых сигналов различают аналоговые и цифровые устройства. Аналоговые устройства предназначены для обработки аналоговых сигналов, то есть сигналов, изменяющихся по закону непрерывных функций: их величина пропорциональна физическим параметрам процессов в системах РВ, РС и ТВ. Такие сигналы иногда называют произвольными. Типичным примером аналоговых сигналов являются сигналы речи и музыки, сигналы в системах управления и регулирования и т.п., а типичным примером аналоговых устройств являются усилительные устройства различного назначения, включая и операционные усилители (ОУ), получившие наибольшее распространение благодаря универсальности применения.

Цифровые же устройства предназначены для обработки цифровых – кодированных сигналов. Они применяются в цифровых системах с использованием микропроцессоров. Следует отметить, что в системах РВ, РС и ТВ основополагающей является аналоговая схемотехника.

В зависимости от исполнения схемотехника может быть дискретной и интегральной. Общие принципы построения схем при дискретном и интегральном исполнении в основном одинаковы, хотя схемотехнические решения при интегральном исполнении имеют свою характерную специфику.

В заключение следует особо подчеркнуть, что самыми распространенными устройствами РС, РВ и ТВ являются усилительные устройства различного назначения, как в дискретном, так и в интегральном исполнении. Они широко используются как самостоятельные устройства, но чаще всего в составе других, более сложных устройств и систем РС, РВ и ТВ, являясь важнейшей органической частью последних. Это особенно наглядно видно из приведенных на рис.1.1, 1.2, 1.3 структурных схем систем РС, РВ и ТВ. В связи с этим схемотехника усилительных устройств во многом определяет схемотехнику систем и устройств РС, РВ и ТВ. Поэтому в дисциплине “Схемотехника устройств РС, РВ и ТВ” центральное место отводится схемотехнике усилительных устройств различного назначения, в том числе усилителей звуковой частоты, широкополосных и импульсных усилителей, видеоусилителей, усилителей постоянного тока, оптронных усилителей, операционных усилителей и многочисленных устройств аналоговой обработки сигналов на базе операционных усилителей, а также схемотехнике вспомогательных цепей усилительных и других устройств РС, РВ и ТВ, например, регуляторов усиления, регуляторов тембра и т.д.

Эти сведения используются в специальных дисциплинах по радиоприемным и радиопередающим устройствам, по телевидению и радиовещанию, по системам радиосвязи и телевизионного вещания, по электропитанию радиоустройств, по измерительной технике и так далее.