Packet6.htm 7. Альтернативные средства связи Представленные устройства связи созданы на основе биполярных и МОП-транзисторов. Однако данные элементы являются не единственными активными компонентами, с помощью которых можно создавать средства связи. На рис.7.1 представлены примеры схем ЧМ-передатчиков, созданных на основе туннельных диодов. Туннельные диоды, как известно, при некоторых режимах обладают отрицательным динамическим (!!) сопротивлением. Благодаря этому свойству данные элементы могут выполнять функции генераторов колебаний и усилителей радиосигналов. Помещенный в цепь колебательного контура, туннельный диод компенсирует потери и обеспечивает генерацию незатухающих колебаний. Простейшие цепи частотной модуляции, несколько дополнительных элементов — и ЧМ-радиопередатчик готов. Именно так построены представленные устройства.
Данные маломощные УКВ ЧМ-устройства обеспечивают передачу информации на расстояние нескольких десятков метров при чувствительности УКВ-приемника 5-10 мкВ и длине передающей антенны 1м — 0.5 м для частот 70-144 МГц (оптимальная длина антенны —1/4 длины радиоволны). Увеличение частоты позволяет уменьшить длину антенны. Это вместе с простотой конструкции позволяет создавать сверхминиатюрную аппаратуру. Несмотря на относительно скромные расстояния работы, данные устройства могут представлять определенный интерес.
Настройка Переменным резистором R3 устанавливается рабочая точка, при которой возникает устойчивая генерация. Частота устанавливается изменением длины катушки и величины емкости С1. Монтаж Монтаж осуществляется в соответствии с обычными требованиями по конструированию ВЧ-устройств: минимальная длина проводников, экранирование и т.д.
Настройка Переменным резистором R, устанавливается рабочая точка, при которой возникает устойчивая генерация. Частота устанавливается изменением длины катушки и величины емкости С1. Монтаж Монтаж осуществляется в соответствии с обычными требованиями по конструированию ВЧ-устройств: минимальная длина проводников, экранирование и т. д. Приведенные схемы ЧМ-радиопередатчиков обладают интересной особенностью: радиопередатчики достаточно просто превращаются в радиоприемники.
Для этого вместо микрофона, конечно, следует использовать УНЧ с громкоговорителем или телефоны (наушники), кроме того, возможно потребуется изменить режим туннельного диода. Конечно, чувствительность такого радиоприемника будет невелика. Радиопередающие устройства, использующие радиоволны для передачи информации, и традиционный телефон являются, конечно, не единственными средствами связи. Существуют и другие методы передачи и приема информации. При этом альтернативные методы могут обеспечивать связь на значительных расстояниях. В некоторых случаях функциональные возможности, иногда уникальные, могут представлять определенный интерес. Подобные устройства могут быть использованы там, где традиционные средства по каким-либо причинам нерационально использовать. При этом принципы и линии связи могут быть самыми разными и неожиданными. Информацию можно передавать, например, используя провода обычной силовой электрической сети 220 В. Схема устройства, обеспечивающего передачу информации по электрической сети 220 В, представлена на рис.7.2.
На рис.7.2.б — схема подключения конденсаторного микрофона. Монтаж и настройка осуществляется в соответствии с обычными требованиями на конструирование ВЧ-устройств. Приемником служит обычный радиоприемник на 27 МГц, подключенный к сети 220 В через ВЧ-фильтр. ВНИМАНИЕ! Представленное устройство при настройке и эксплуатации требует особой осторожности, т.к. элементы устройства находятся под высоким напряжением. Альтернативой для беспроводной и проводной радиосвязи может служить, например, индукционный метод передачи информации. Как известно из курса школьной физики, вокруг провода с переменным током существуют переменные электрическое и магнитное поля. Используя соответствующие контурные катушки и достаточно простые усилители (УНЧ) можно эти поля улавливать и усиливать. На этом простом принципе можно построить систему передачи информации — конечно, на незначительные расстояния. Эти расстояния зависят от величины тока, протекающего по передающему информацию проводнику, от расположения этого проводника, от чувствительности усилителя приемника, от уровня окружающих помех и т.д. В обычных условиях — дальность до 5-10 м. При использовании специальных селективных фильтров, позволяющих подавить помехи, это расстояние может быть существенно больше. - На рис. 7.3 — рис.7.7 приведены примеры схем передатчиков и приемников, использующих индукционный метод передачи информации. Для повышения напряженности электромагнитного поля и, как следствие, уровня передаваемого и принимаемого сигнала передающий провод передатчика информации выполнен в виде контура. Данный контур состоит из нескольких витков толстого (ток — несколько ампер!) медного провода и образует своеобразный электромагнит (рекомендуется вспомнить школьный курс физики). Приемник должен находиться внутри контура (в поле данного контура) или близко от него. Конечно, ясно, что чем выше величина протекающего тока и больше витков в контуре, тем больше передаваемый, а, следовательно, и принимаемый (индуцируемый в приемном контуре), сигнал. Кстати, на этом же принципе основан метод поиска скрытой электропроводки (220 В). Подобные приборы чрезвычайно полезны для электромонтеров.
Подобным образом устроен выпускаемый серийно прибор, обеспечивающий возможность громкоговорящего прослушивания пользователем своего (!!) телефона. Конечно, хороший, нужный и полезный прибор. Но на этом же индукционном принципе основан один (!) из методов подслушивания телефонных разговоров. Это очень полезные и очень простые приборы для очень узкого круга, но очень вредные для всех остальных, особенно для тех, кто в этот момент говорит по такой телефонной линии (телефону). И на этом принципе можно построить простые средства связи и передачи информации. Контур передатчика можно расположить, например, по периметру территории, на Которой необходимо организовать одностороннюю передачу информации. Однако можно его выполнить и в виде элемента переносного устройства. Правда, в этом случае дальность связи ограничится несколькими метрами, но можно обеспечить устойчивую связь через стенки. Фактически, схема передатчика на рис.7.3 представляет собой мощный УНЧ, нагруженный на контур, выполненный толстым медным проводом. Активное сопротивление контура должно быть несколько Ом.
Выходную мощность усилителя на рис.7.3 можно повысить, если использовать в составе данного устройства более мощные транзисторы. При этом можно использовать следующие элементы:
На рис.7.4 представлена схема аналогичного устройства, но дополненного регуляторами тембра по НЧ и ВЧ. Для данной схемы регулятор громкости установлен на входе.
Выходную мощность усилителя на рис.7.4 можно повысить, если использовать в составе данного устройства более мощные транзисторы. При этом можно использовать следующие элементы:
На рис.7.5 представлена схема упрощенного варианта индукционного УНЧ-передатчика, построенного на основе схем предыдущих устройств. Схема содержит всего один OY Регулятор громкости установлен на входе.
На рис.7.6 и рис.7.7 представлены схемы приемников для индукционного способа передачи информации. На рис.7.6.а приведена схема на одном ОУ
Монтаж и настройка С помощью резистора R8 устанавливается необходимый коэффициент усиления. С3 подключаются максимально близко к ОУ. Целесообразно к L1 подключить конденсатор СО. Данный контур необходимо настроить на середину диапазона — 1кГц. L1, выполняется на фер-ритовом сердечнике длиной 5-10 см и проницаемостью 2000-4000, L1 содержит 1000-2000 витков провода ПЭВ 0.05-0.07мм.
На рис.7.6.б приведена Схема на двух ОУ. Схема во многом аналогична схеме на рис.7.6.а, но в схему введен многополосный регулятор тембра. Это позволяет подобрать, оптимальное качество звука даже в условиях повышенного уровня помех. Устройство содержит НЧ-, СЧ, ВЧ-регуляторы тембра.
Монтаж и настройка С помощью резистора R8 устанавливается необходимый коэффициент усиления. С3 С14 подключается максимально близко к ОУ. Целесообразно к L, подключить конденсатор СО. Данный контур необходимо настроить на середину диапазона — 1 кГц. L, выполняется на ферритовом сердечнике длиной 5-10 см и проницаемостью 2000-4000, L, содержит 1000-2000 витков провода ПЭВ 0.05-0.07мм, На рис.7.7 приведены схемы приемников на ИС серии 548.
Монтаж и настройка С помощью резистора R1 устанавливается необходимый коэффициент усиления. С, подключается максимально близко к ОУ. Целесообразно к L1 подключить конденсатор СО. Данный контур необходимо настроить на середину диапазона — 1кГц. L1 выполняется на ферритовом сердечнике длиной 5-10 см и проницаемостью 2000-4000, L1 содержит 1000-2000 витков провода ПЭВ 0.05-0.07мм. Элементы для схемы на рис.7.7.б:
Монтаж и настройка С помощью резистора R1 устанавливается необходимый коэффициент усиления. С3 подключается максимально близко к ОУ. Целесообразно к L1 подключить конденсатор СО. Данный контур необходимо настроить на середину диапазона — 1кГц. L1 выполняется на ферритовом сердечнике длиной 5-10 см и проницаемостью 2000-4000, L1 содержит 1000-2000 витков провода ПЭВ 0.05-0.07мм, Выходной каскад индукционного передатчика (УНЧ) может быть выполнен на основе схемы генератора тока. Это позволяет исключить ограничивающий резистор и несколько повысить коэффициент полезного действия (КПД). Представленные примеры устройств индукционной связи рассчитаны на одностороннюю связь. Однако на этом принципе могут быть созданы варианты и дуплексной связи. Для этого, конечно, должно быть минимум две пары устройств — передатчик и приемник. В качестве среды передачи информации может использоваться свет. Это может быть обычный (видимый) свет или инфракрасное излучение (инфракрасные лучи).
На рис.7.8 представлены схемы простых оптических передатчиков для све-тотелефонов (фототелефонов). На рис.7.8 — оптические передатчики с модуляцией луча света: а, б — примеры схем передатчиков, использующих видимый (а) и инфракрасный (б) свет. Устройство на рис.7.8.а обеспечивает передачу информации АМ-модуля-цией интенсивности светового луча (электромагнитное излучение видимой части спектра). При использовании простейшей оптической системы дальность связи может составить в дневное время несколько сотен метров, а в ночное — более 1 км, В качестве простейшей оптической системы можно использовать следующие средства: у источника излучения (электрическая лампочка) — рефлектор (например, электрический фонарик), у приемника (фотодиод) — фокусирующая линза или рефлектор,
Настройка Переменным резистором R3 устанавливается рабочая точка выходного транзистора (ОУ, Т1, Т2). Ток покоя, протекающий через этот транзистор, задает начальную интенсивность свечения лампы. Значительный начальный ток необходим для компенсации инерционных свойств лампы накаливания. Именно из-за инерционных свойств лампы, вызывающих искажения сигнала, глубина модуляции не может быть значительной: ток покоя не достигает нуля. Глубина модуляции (громкость) устанавливается с помощью резистора R1 (громкость). С целью ограничения искажений сигнала этот уровень обычно составляет всего несколько процентов. Величина начального тока и величина R7 зависят от типа используемой лампочки. Величина начального тока выбирается с учетом изменения тока модуляции. Для нормальной эксплуатации и достижения максимальной дальности связи необходимо выполнить взаимную ориентацию излучающего элемента передатчика и датчика приемника. Это означает, что линия, вдоль которой осуществляется излучение, должна быть направлена на датчик приемника. Датчик же должен быть направлен на источник и ориентирован так, чтобы сигнал был максимален. В данном устройстве возможно использование современных светоизлуча-ющих диодов, обеспечивающих сравнительно высокую яркость излучения: Частотные свойства, надежность и экономичность у элементов этого класса значительно лучше, чем у ламп накаливания. Для достижения большей мощности излучения и дальности передачи возможно одновременное использование нескольких светодиодов. Для повышения мощности излучения (и дальности), достижения экономичности (КПД) данных устройств связи целесообразно вместо чисто аналогового модулирующего сигнала использовать импульсную модуляцию, например, широтно-импульсную. Одним из вариантов такого решения может быть, например, использование усилителей класса D, к выходу которых можно подсоединить светодиоды. Учитывая повышенный коэффициент искажений, что характерно для усилителей класса D, в приемниках необходимо предусмотреть соответствующее фильтрование сигналов. К сожалению, электромагнитное излучение видимой части спектра обладает рядом свойств, снижающих привлекательность его использования в подобных устройствах. Это и низкая прозрачность многих передающих сред, иногда недостаточная скрытность луча, слабая способность к отражению от препятствий и т.д. Во многих случаях хорошей альтернативой может служить инфракрасное излучение. Используя светоизлучающие диоды инфракрасной части диапазона, удается создать значительное число устройств, облегчающих и украшающих жизнь. Достаточно вспомнить хотя бы пульты дистанционного управления бытовыми устройствами, например, телевизорами, видеомагнитофонами и т.д. На основе аналогичных свето- и фотодиодов можно сконструировать устройства оптической связи. Один из вариантов схемы передатчика светотелефона (фототелефона) с модуляцией инфракрасного излучения приведен на рис.7.8.б. Схема и ее настройка во многом аналогичны предыдущей схеме оптического передатчика (рис.7.8.а) с модуляцией луча видимого света. Необходимо отметить, что при относительно близких расстояниях (10 м — 20 м), обычно в пределах помещений, нет необходимости устанавливать источник излучения и его приемник на одной линии, т.к. инфракрасные лучи отражаются от препятствий, например, от стен. Пример такой схемы представлен на рис 7.8.б.
Настройка Переменным резистором R3 устанавливается рабочая точка выходного транзистора. Ток покоя транзистора задает начальный ток и интенсивность потока (свечения) излучающего диода в отсутствии сигнала. Величина начального тока выбирается с учетом изменения тока модуляции. Глубина модуляции (громкость) устанавливается с помощью резистора R1 (громкость) и значительно выше, чем в предыдущем случае: ток через диод от максимального уровня уменьшается практически до нуля. Для нормальной эксплуатации и достижения максимальной дальности связи, как и в предыдущем случае, необходимо выполнить взаимную ориентацию излучающего элемента передатчика и датчика приемника. На рис.7.9 приведены примеры схем оптических приемников (приемников светотелефонов — фотоприемников фототелефонов), которые могут быть использованы совместно с описанными оптическими передатчиками — устройствами, обеспечивающими модуляцию световых лучей видимого и инфракрасного диапазонов. На рис.7.9.а представлен вариант схемы приемника на ИС 548УН1А, содержащей в своем составе два малошумящих ОУ, требующих для своей работы однополярного питания напряжением 9В-ЗОВ. Данная схема может быть использована в составе фотоприемопередатчика как для диапазона видимого света, так и для инфракрасного излучения. На рис.7.9.б представлен вариант схемы приемника на ОУ широкого применения. Особенностью данной схемы является использование в первом каскаде полевого транзистора. Это позволило достичь высокого уровня соотношения сигнал/шум и необходимого высокого входного сопротивления усилителя при использовании ОУ с низким входным сопротивлением. Приведенная
схема также может быть использована в составе фотоприемопередатчика как для диапазона видимого света, так и для инфракрасного излучения.
Как уже отмечалось, использованием широтно-импульсной модуляции можно повысить среднюю мощность излучения, КПД и, как следствие, дальность связи. На рис.7.10 приведена схема передатчика, использующего широтно-импуль-сную модуляцию излучения инфракрасного светодиода.
В приемнике, рассчитанном на работу с передатчиком, использующим ши-ротно-импульсную модуляцию, для повышения качества передачи необходимо предусмотреть фильтрацию высокочастотных (ВЧ) составляющих, которые всегда содержатся в импульсном сигнале (в его спектре). В крайнем случае, выделение из импульсного сигнала среднего значения напряжения и фильтрация ВЧ-составляющих может осуществляться непосредственно в телефоне или в динамической головке приемника. В приведенных устройствах, основанных на оптических методах передачи информации, используется амплитудная модуляция — АМ-модуляция, т.е. передача за счет изменения интенсивности (яркости) луча. Однако яркость передаваемого луча видимого и инфракрасного света может изменяться не только за счет модуляции, осуществляемой передатчиком. На яркость луча оказывает влияние среда, в которой распространяется несущий информацию луч. Свойства среды могут изменяться (туман, пыль, мелкие и крупные препятствия, и т.д.). Кроме того, как уже отмечалось ранее, инфракрасный луч хорошо отражается от препятствий (это зависит от их свойств). Однако интенсивность отраженного луча, конечно, всегда ниже прямого. Из всего сказанного ясно, что АМ-модуляция, схемная реализация которой достаточно проста, не обеспечивает высокого уровня помехозащищенности и качества. В значительной степени решить эти проблемы, как и в случае радиосвязи, удается использованием частотной модуляции — ЧМ-модуляции. Для этого вида модуляции информация передается уже не изменением интенсивности (амплитуды) луча, а изменением частоты модулирующих колебаний. ЧМ-модуляция позволяет придать связной аппаратуре новые потребительские свойства. Так, например, для случая инфракрасного излучения теряется разница между прямым и отраженным лучом, но интенсивность принимаемого луча должна быть выше граничной. Качество передачи от замены прямого луча на отраженный не изменяется, т.к., следует напомнить, информация передается изменением частоты. Это позволяет в помещениях не очень заботиться о взаимной ориентации передатчика и приемника. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ Немного о скрытности. И сразу на ум, вероятно, приходят слова, вынесенные на обложку данной книги. Кстати, существует фильм, снятый, лет, наверное, 30-40 назад. В этом фильме для передачи информации шпионы использовали лампочку освещения, висящую у входа избушки, стоящей недалеко от границы. Как и в схеме на рис.7.3 использовалась АМ-модуляция (с низкой глубиной) света лампы. И очень долго никто ничего не замечал... Для связи отсутствие проводов, как и в случае с радио, обеспечивает определенную комфортность. Однако оптические методы обладают некоторыми преимуществами по сравнению с радиосвязью в традиционных диапазонах, т.к. информация может передаваться в строго заданном направлении. Направленность передачи затрудняет перехват и повышает помехозащищенность. Кстати, распространение волн радиодиапазона СВЧ во многом напоминает свет. И о помехозащищенности. Очевидно, что электромагнитные помехи не оказывают влияния на распространение света и передаваемую информацию. Единственное — это непрозрачные препятствия, находящиеся на линии распространения передающих лучей, т.е. в световом конусе. И об информационной емкости оптических линий передачи информации. Известно, что скорость передачи информации (модуляции) зависит от частоты колебаний несущей. Частота света очень велика и значительно превышает частоты радиодиапазона. Поэтому скорость передачи информации практически ограничена только свойствами излучающих и принимающих элементов. Реально — рабочая частота современных устройств простирается до гигагерц (!). Для любительских и полупрофессиональных целей, при использовании дешевых распространенных электронных элементов, — рабочая частота устройств может составлять десятки и сотни килогерц. Теперь 6 дальности и более современных источниках излучений. При использовании в подобных устройствах связи полупроводниковых лазеров, излучение которых характеризуется очень малым расхождением (малый угол светового конуса излучения), дальность передачи/приема информации существенно возрастает и может достигать десятков и сотен километров. ВНИМАНИЕ! При эксплуатации устройств, использующих оптические и индукционные методы передачи информации, не требуется каких-либо разрешений. Конечно, описанные в данном разделе устройства не исчерпывают данной темы. Существуют, конечно, и другие методы, и другие устройства, но это, как говорится, тема уже для другой книги.