Принципы построения радиопередающих устройств КВ и УКВ диапазонов.

Назначение, классификация и основные параметры радиопередающих устройств.

РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА КВ И УКВ ДИАПАЗОНОВ

ГЛАВА 3.ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ СРЕДСТВ И КОМПЛЕКСОВ РЭБ

 

Назначение радиопередающих устройств – для создания колебаний ВЧ. Применение: в системах радиосвязи, радиолокации, радионавигации, телеметрии, телевидении и т.д.

Существуют два вида работы передающих устройств: непрерывный (энергия излучается непрерывно в течение передачи сигнала передатчиком) и импульсный (энергия излучается в виде отдельных кратковременных импульсов).

По диапазону длин волн передатчики делятся на передатчики ДВ, СВ, КВ, УКВ.

По назначению: вещательные, связные, телевизионные, радиолокационные и т.д.

По мощности: малой, средней, большой мощности (мощность определяет дальность действия и надежность работы, например, систем связи).

По схемному построению (по числу каскадов): однокаскадные, многокаскадные (рис.3.1.1). На рис.3.1.1: ЗГ – задающий генератор; БК – буферный каскад; УМНОЖ – умножитель; УСИЛИТ – усилитель, АПЧ – автоматическая подстройка частоты

По виду используемой модуляции: АМ, ЧМ, ФМ, ИМ и т.д.

 

Рис.3.1.1. Схемы построения передатчиков

В общем виде радиопередающее устройство КВ- и УКВ-диапазонов (структурная схема изображена на рис.3.1.2) состоит из возбудителя, усилителя мощности и элементов согласования (связи) усилителя с антенной, управляющего устройства (модулятора, манипулятора или устройства модулирующих сигналов), источников питания и антенно-фидерной системы. Управляющие устройства могут входить в состав возбудителя.

 

 

 

Рис. 3.1.2. Структурная схема радиопередающего устройства КВ- и УКВ-диапазонов

 

К основным параметрам радиопередающих устройств относятся: диапазон рабочих частот, стабильность частоты, генерируемых колебаний, выходная мощность, коэффициент полезного действия, уровень побочных колебаний и др.

 

Схемы генераторов с самовозбуждением

 

Классификация схем

В современных радиопередающих устройствах используются главным образом трехточечные схемы (Дробов С.А., Бычков С.И. Радиопередающие устройства. -4-е изд. –М. : Советское радио, 1969. – 720 с.: ил.), в которых контур подключается к лампе тремя точками (аналогичные схемы применяются и в полупроводниковых генераторах).

При составлении схемы лампового (транзисторного) генератора с самовозбуждением (см. рис.3.1.3) необходимо выполнить условие равновесия (баланса) фаз, которое сводится к следующему: напряжение, возникшее на управляющей сетке лампы (базе транзистора) должно вызвать новое напряжение на этой сетке (базе), снимаемое с колебательного контура и совпадающее по фазе с первоначальным.

Генераторы с самовозбуждением всегда работают на частотах, близких к собственной частоте контура и поэтому можно полагать, что напряжение, приложенное к управляющей сетке (базе) генератора вызывает противоположное по фазе напряжение на аноде (коллекторе). Следовательно, баланс фаз будет выполняться, если напряжение, действующее на аноде (коллекторе) вызывает, в свою очередь, противоположное по фазе напряжение на сетке (базе).

 

Рис.3.1.3. Схема трехточечного генератора в общем виде

 

Указанный сдвиг фаз между напряжениями обеспечивается колебательным контуром генератора и может быть получен при трех различных схемах связи контура с управляющей сеткой лампы (с базой транзистора): трансформаторной, автотрансформаторной и емкостной. Отсюда различают три основные схемы генераторов с самовозбуждением (рис.3.1.4): генераторы с трансформаторной (рис.3.1.4,а), автотрансформаторной и емкостной обратной связью (рис.3.1.4,б,в – соответственно). Для краткости в дальнейшем будем называть указанные генераторы трансформаторным, автотрансформаторным и емкостным.

В каждом из этих генераторов, как указывалось, напряжение на аноде должно вызывать противоположное по фазе напряжение на сетке.

 

Рис.3.1.4. Схемы генераторов с трансформаторной, автотрансформаторной и емкостной обратной связью

 

В трансформаторном генераторе, выбирая правильный знак коэффициента взаимоиндукции М (положительный или отрицательный), можно всегда обеспечить правильное соотношение фаз независимо от знака сопротивлений Xm и Х_а.

 

Рис.3.1.5 Рис.3.1.6

 

В автотрансформаторном и емкостном генераторах (рис. 3.1.4,б и 3.1.4, в)сопротивление Х_т всегда должно иметь противоположный знак по сравнению с сопротивлением Х_св и должно быть больше этого сопротивления по абсолютной величине (| Х_т | > | Х_св |). В этом случае сопротивление всей ветви Х_т + Хсв будет иметь противоположный знак по сравнению с сопротивлением Х_св и, следовательно, протекающий по этой ветви ток 1_К будет создавать напряжения на сетке (на сопротивлении Х_св) и на аноде лампы (на со­противлении Х_т + Х_св) противоположных знаков.

Сопротивление Х_а выбирается из условия настройки контура в резонанс с рабочей частотой и должно иметь противоположный знак по сравнению с сопротивлением всей левой ветви контура Х_т + Х_св , аследовательно, должно иметь тот же знак, что и со­противление связи Хсв. Таким образом, в автотрансформаторном (рис.3.1.5,а) и емкостном генераторах (рис.3.1.5,б) сопротивления Хсв и Х_а должны быть одного знака, а сопротивление Х_т другого знака. Схемы автотрансформаторного и емкостного генераторов можно представить в другом виде (рис. 3.1.6).

Схемы рис. 3.1.5 и 3.1.6 отличаются только различным методом изображения колебательных контуров. Из схем рис. 3.1.6 хорошо видно, что напряжения на аноде и сетке лампы имеют противоположные фазы. Действительно, катод лампы подключен к средней точке контурной катушки (рис. 3.1.6, а) или к средней точке емкостного потенциометра (рис. 3.1.6, б), и, следовательно, с крайних точек снимаются противоположные по фазе напряжения на анод и сетку лампы.

Иногда применяются схемы ламповых генераторов с комбинированной обратной связью. Одна из таких схем с трансформаторно-емкостной обратной связью показана на рис. 3.1.7.

Все рассмотренные схемы являются одноконтурными. На практике часто встречаются двухконтурные и трехконтурные схемы.

Наиболее широкое распространение получили двухконтурные схемы, в которых связь между контурами осуществляется через междуэлектродные емкости лампы. Три такие схемы показаны на рис. 3.1.8, а, 3.1.9, а и 3.1.10, а.

 

 

Рис.3.1.7 Рис.3.1.8

 

 

Рис.3.1.9

 

В схеме рис. 3.1.8, а связь между контурами осуществляется через междуэлектродную емкость сетка — анод C_ga. Для частот более низких, чем собственные частоты контуров ω_a и ω_g характер сопротивления этих контуров индуктивный и схема эквивалентна автотрансформаторному генератору (рис. 3.1.8, б).

В схеме рис. 3.1.9, а связь между контурами осуществляется через междуэлектродную емкость сетка—катод .Если ω_m>ω_a ,то для частот ω_а<ω<ω_m схема эквивалентна емкостному генератору (рис. 3.1.9, б).

 

Рис.3.1.10.

Наконец, в схеме рис. 3.1.10, а связь между контурами осуществляется через междуэлектродную емкость анод — катод C_af. Если ω_m>ω_g , то для частот ω_g<ω<ω_m схема эквивалентна также емкостному генератору (рис. 3.1.10, б).

Первые две из двухконтурных схем применяются в генераторах с кварцевой стабилизацией частоты, причем один из контуров заменяется кварцем. Третья схема встречается в диапазоне метровых и дециметровых волн в генераторах, использующих лампы специальной конструкции с дисковыми выводами. В частности, на базе мощного генераторного триода ГИ-5Б выполнено передающее устройство одной из РЛС метрового диапазона.

На рис. 3.1.11 показана трехконтурная схема, которая чаше всего встречается в диапазоне метровых волн. По характеру самовозбуждения трехконтурная схема в зависимости от ее параметров может быть эквивалентна автотрансформаторной или емкостной схеме.

 

 

Рис.3.1.11. Трехконтурная схема автогенератора

 

В анодной и сеточной цепях лампового генератора с самовозбуждением, так же как и в ламповом генераторе с независимым возбуждением, можно применять как последовательную, так и параллельную схему питания.

Транзисторные генераторы с самовозбуждением имеют ряд существенных особенностей:

1) рабочая частота транзисторного генератора, как правило, отличается от резонансной частоты колебательной системы в большей степени, чем у ламповых генераторов, что объясняется большей величиной емкости р-п переходов;

2) на работу транзисторного генератора оказывают весьма существенное влияние инерционные свойства транзистора, связанные с диффузионным характером движения носителей в области базы;

 

Рис. 3.1.12. Рис. 3.1.13.

 

3) емкости р-п переходов не только значительно превышают межэлектродные емкости ламп, но и в значительно большей степени зависят от режима транзистора и температуры, что отрицательно сказывается на стабильности частоты автогенератора.

 

Рис. 3.1.14.

Практическое применение находят автогенераторы с трансформаторной, автотрансформаторной и емкостной обратной связью, схемы которых изображены на рис.3.1.12, 3.1.13 и 3.1.14 соответственно для транзисторов типа р-п-р.

В приведенных схемах потенциометр R₁R₂ служит для подачи на базу небольшого смещения, которое обеспечивает достаточно высокую крутизну характеристики транзистора в исходном режиме и легкость возбуждения колебаний. Ток базы Iбo (рис. 3.1.12), протекающий через сопротивление R₃, создает положительное автоматическое смещение, обеспечивающее получение необходимого угла отсечки коллекторного тока в автоколебательном режиме генератора.

 

Генераторы с внешним возбуждением на биполярных транзисторах

 

В таких генераторах для усиления и генерирования применяются схемы с ОБ, с ОЭ, с ОК (реже). (рис.3.1.15,а, б, в соответственно).

 

Рис.3.1.15. Транзисторные генераторы с внешним возбуждением

 

Кварцевый генератор

 

Стабильность частоты лампового генератора в основном определяется качеством колебательной системы, а именно: ее эталонными свойствами и добротностью. Эталонные свойства и добротность обычного электрического колебательного контура в ряде случаев оказываются недостаточными для обеспечения необходимых норм по стабильности частоты. В генераторах с электрическими колебательными контурами относительная стабильность частоты редко превышает 10^-4.

В тех случаях, когда требуется более высокая стабильность, применяются механические колебательные системы. Из таких механических колебательных систем наиболее широко применяется кварц, который обладает пьезоэлектричеством, т. е. при давлении на его поверхности возникают электрические заряды. Пьезоэлектрическое свойство кварца позволяет связать его механические колебания с электрическими колебаниями генератора.

Для стабилизации частоты кварцевую колебательную систему начали применять с 1923 г. Первые кварцевые генераторы имели относительную стабильность частоты порядка 10^-4. С улучшением технологии обработки кварца, а также и с дальнейшим усовершенствованием кварцедержателей стабильность частоты кварцевых генераторов из года в год повышалась.

В настоящее время кварцевые генераторы мобильных радиостанций имеют стабильность 10^-6 и выше. Кварцевые же генераторы стандартов частоты имеют стабильность 10^-8 и выше.

Требования, предъявляемые к механическим колебательным системам

 

Механическая колебательная система, применяемая для стабилизации частоты в ламповом (полупроводниковом) генераторе с самовозбуждением, должна удовлетворять следующим основным требованиям. Прежде всего такая механическая колебательная система должна обладать свойствами, которые позволяли бы простым способом превращать механические колебания в электрические и наоборот. Только в этом случае можно связать механические колебания с электрическими и тем самым обеспечить самовозбуждение генератора.

Далее, применяемая механическая колебательная система долж­на обладать высокими эталонными свойствами и большой добротно­стью, так как только в этом случае колебательная система в состоянии обеспечить высокую стабильность частоты генератора.

Наконец, применяемая механическая колебательная система должна иметь удобные габариты. Она не должна быть слишком большой или слишком малой В первом случае она будет громоздкой и будет увеличивать размеры задающего генератора. Во втором же случае эта система может оказаться слишком хрупкой, не обладающей достаточной механической прочностью.

Всем указанным требованиям отвечает кварц.

Кварц и его свойства

Правый и левый кварцы. Кремнезем, модификацией которого является кварц, представляет собой по химическому составу двуокись кремния Si0₂. Для стабилизации частоты применяется модификация кремнезема, называемая обыкновенным или β-кварцем. Обыкновенный кварц при нормальном давлении устойчив до температуры 573° С. При температуре больше 573° С он переходит в следующую модификацию кремнезема, называемую α-кварцем. При 1700 ° С кварц начинает плавиться. Расплавленный и затем охлажденный кварц называется плавленым кварцем. Он широко применяется в радиотехнике в качестве изолятора.

Кристаллы кварца отличаются друг от друга своей величиной, числом граней и ребер и формой граней. Однако углы между соответствующими гранями имеют постоянную величину, что является основным законом кристаллографии.

Различают две формы кварца: правую и левую в зависимости от ориентации граней.

Различают следующие оси кварца: 1) оптическую ось zz 2) три электрические оси хх; 3) три механические оси уу (рис. 3.1.16).

 

 

Рис.3.1.16. Оси кварца

Физические свойства кварца. Кварц является весьма твердым минералом. В этом отношении он незначительно уступает алмазу. Природные кристаллы кварца иногда встречаются очень больших размеров. Однако вследствие внутренних дефектов и посторонних примесей трудно из кристалла кварца вырезать однородную пластинку больших размеров. При массовом производстве 80—100 мм является предельным размером.

С увеличением частоты генераторов, стабилизированных кварцем, приходится уменьшить толщину кварцевой пластинки. Однако не рекомендуется выбирать толщину меньше 0,2 мм. Очень тонкие кварцевые пластинки становятся хрупкими и не могут обеспечить необходимую надежность работы генератора.

Можно считать, что основные параметры кварца как колебательной системы только в слабой степени зависят от внешних условий, т. е. он обладает достаточно высокими эталонными свойствами.

Электрические свойства кварца.Кварц обладает ионной и электронной проводимостью. Общее удельное сопротивление кварца зависит от температуры и быстро уменьшается с ее увеличением.

Диэлектрическая проницаемость кварца в направлении, параллельном оптической оси, несколько больше диэлектрической проницаемости в направлении, перпендикулярном этой оси. Диэлектрическая проницаемость в весьма малой степени зависни от внешних условий и практически не изменяется с изменением частоты. При изменении температуры в пределах от нуля до 100° С можно считать диэлектрическую проницаемость кварца постоянной. Она не зависит и от напряженности поля вплоть до 2000 В/см.

Пьезоэлектрические свойства кварца. Кварц обладает прямым и обратным пьезоэлектрическим эффектом. Прямой пьезоэлектрический эффект заключается в следующем. Если кубик, вырезанный из кварца (рис. 3.1.17), сжимать вдоль электрической или механической оси, то на его гранях, перпендикулярных оси х, возникают электрические заряды, причем противоположные грани получают заряды разных знаков. При растягивании кубика на его гранях также возникают заряды, но другого знака, чем при сжатии.

Различают продольный и поперечный пьезоэлектрический эффект. Если заряды возникают на той поверхности, которая подвергается механическому напряжению (рис. 3.1.17, а), то эффект называется продольным. При возникновении заряда на поверхности, не подверженной механическому напряжению (рис. 3.1.17, б), эффект называется поперечным.

Заряды могут возникать не только на гранях, перпендикулярных оси х, но также и на гранях, параллельных этой оси. Так, например, под действием касательного механического напряжения вокруг оси у грани, перпендикулярные этой оси, получают заряд.

Кварц обладает также и обратным пьезоэлектрическим эффектом, т. е., если к граням кварца приложить некоторую разность потенциалов, то кварц меняет свои размеры (растягивается или сжимается) вдоль электрической или механической оси.

 

 

а) б)

 

 

Рис.3.1.17. Продольный и поперечный пьезоэффект

Прямой и обратный пьезоэффект является как раз тем свойством кварца, которое позволяет связать его механические колебания с электрическими.

Срезы кварца и виды колебаний. В ламповых генераторах для стабилизации частоты чаще всего применяются бруски или пластинки, вырезанные из кварца. Кварцевый брусок (или пластинка) обладает высокими упругими свойствами и может совершать весьма быстрые механические колебания.

Различают следующие основные виды механических колебаний кварца: сжатие и растяжение, сдвиг, изгиб и кручение.

Кварцедержатели и термостаты

 

Кварцевый стержень или пластинка, применяемые для стабилизации частоты помещаются в специальные кварцедержатели. Показатели кварца как колебательной системы в значительной степени зависят от качества кварцедержателя.

При конструировании кварцедержателей необходимо исходить из следующих основных соображений: кварцедержатель не должен значительно увеличивать затухание кварца, не должен иметь значительную шунтирующую емкость (как будет показано ниже емкость, шунтирующая кварц, затрудняет его возбуждение); должен обладать достаточной теплопроводностью и отводить тепло от кварца.

Существует два основных типа кварцедержателей: с воздушным зазором и без воздушного зазора.

В кварцедержателе с воздушным зазором пластинка располагается на плоском горизонтальном электроде. Второй электрод располагается сверху над пластинкой. Между вторым электродом и пластинкой сохраняется воздушный зазор. Наличие воздушного зазора иногда приводит к значительным потерям энергии.

В настоящее время чаще применяются кварцедержатели без воздушного зазора. В этом случае кварцевая пластинка кладется на один из электродов кварцедержателя и посредством специальной пружинки слегка зажимается вторым электродом. Пластинка может перемещаться между электродами. Следует иметь в виду, что давление электродов увеличивает затухание кварца.

Для уменьшения затухания иногда крепление пластинки осуществляют специальными иголками в тех местах, в которых кварц не испытывает механических перемещений. Для этой же цели применяются металлизированные пластинки.

В тех случаях, когда требуется особенно высокая стабильность частоты, кварц помещают в специальный термостат.

Внутри термостата расположена обмотка электронагревателя. Температура в термостате поддерживается постоянной посредством специ­ального терморегулятора. Температура внутри термостата обычно поддерживается равной 50—60° С. Инерционность термостата и, следовательно, необходимость предварительного включения являются его существенными недостатками.

 

Электрическая эквивалентная схема кварца

Можно из индуктивности, емкостей и сопротивлений составить такой колебательный контур, электрическая реакция которого будет эквивалентна колеблющейся кварцевой пластинке.

Если к поверхности кварцевой пластинки приложить переменное напряжение, то через нее потечет переменный электрический ток. Следует различать три основные составляющие этого тока: i_R, i_c, i_q (рис. 3.1.18).

Первая составляющая i_R обусловлена активной проводимостью кварца и кварцедержателя.

Вторая составляющая i_c представляет собой ток, протекающий через емкость, образованную кварцем и проводящими поверхностями кварцедержателя.

Третья составляющая i_q представляет собой пьезоэлектрический ток и вызывается пьезоэлектрическим эффектом кварца. Как указывалось выше, переменное напряжение, приложенное к кварцевой пластинке, приводит к периодическому изменению ее размеров (сжатию и растяжению), вследствие чего изменяется величина заряда на поверхности пластинки.

Указанное изменение заряда и является третьей составляющей тока.

 

 

Рис.3.1.18 Рис.3.1.19 Рис.3.1.20

Пьезоэлектрический ток в сильной степени зависит от частоты приложенного напряжения. Если частота приложенного напряжения приближается к частоте собственных механических колебаний кварца, то амплитуда этих колебаний возрастает и, следовательно, увеличивается пьезоэлектрический ток.

Фаза пьезоэлектрического тока зависит от частоты приложенного напряжения. Если эта частота ниже собственной частоты кварца, то ток опережает приложенное напряжение, т. е. он имеет емкостный характер. Если же частота приложенного напряжения выше собственной частоты кварца, то ток отстает от приложенного напряжения, т. е. он имеет индуктивный характер. Из сказанного ясно, что проводимость, вызываемая пьезоэлектрическим эффектом, эквивалентна последовательному электрическому контуру.

Полная эквивалентная схема кварца вместе с кварцедержателем представляет собой параллельный колебательный контур (рис. 3.1.18),

Если между кварцевой пластинкой и поверхностями кварцедержателя имеется воздушный зазор, то в эквивалентной схеме необходимо еще учесть емкость этого зазора С₃ (рис. 3.1.19).

Во время колебаний кварцевой пластинки в воздушном зазоре но шикают ультраакустические волны, что может привести к значительным потерям и увеличению затухания кварца.

Следует иметь в виду, что эквивалентный колебательный контур, составленный из сосредоточенных индуктивности, емкостей и сопротивлений, аналогичен электромеханической колебательной системе кварца только в узком диапазоне частот, вблизи резонанса.

Параметры эквивалентного электрического контура в большой степени зависят от среза кварца, его шлифовки и качества кварцедержателя, в который он помещен.

Если кварцедержатель хорошо сконструирован, то параллельное сопротивление R велико и его влиянием можно пренебречь. В этом случае эквивалентная схема кварца (без учета емкости зазора) принимает вид, показанный на рис. 3.1.20.

От обычного электрического контура кварцевый резонатор отличается высокой стабильностью и высокой добротностью, что объясняется хорошими механическими и химическими свойствами.

 

Схемы кварцевых генераторов

Различают две основные схемы кварцевых генераторов: осцилляторную и схему с затягиванием.

В осцилляторной схеме возбужденный кварц полностью определяет условия самовозбуждения генератора.

В схеме с затягиванием самовозбуждение генератора не определяется возбуждением кварца. Часто, кроме кварцевой колебательной системы, такая схема имеет еще обычный колебательный контур, который может обеспечить условия самовозбуждения генератора. Недостатком таких генераторов является трудность определения факта генерирования колебаний с участием кварца и в случае потери пьезоэлектрических свойств последнего.

Осцилляторную схему нужно составлять так, чтобы ее возбуждение было возможно только в том случае, когда эквивалентный контур, заменяющий кварц, представляет собой индуктивное сопротивление (в противном случае будет происходить срыв колебаний при потере пьезоэлектрических свойств кварца).

Широко применяются две осцилляторные схемы (см. рис. 3.1.21).

 

 

Рис.3.1.21. Осцилляторные схемы кварцевых генераторов

 

Диапазонные возбудители с кварцевой стабилизацией

 

Классификация возбудителей, основные характеристики и требования к ним

Возбудитель является элементом радиопередатчика. Он предназначен для формирования радиосигналов при различных видах работы, синтеза сетки частот в заданном диапазоне и переноса сформированного сигнала на рабочую частоту. На вход возбудителя по­дается первичный сигнал от оконечной передающей аппаратуры, на выходе, должно быть обеспечено получение соответствующего радиосигнала при различных способах модуляции (манипуляции) во всем рабочем диапазоне передатчика. В последующих каскадах передатчика происходит усиление мощности сигнала до требуемой величины.

Возбудитель определяет многие из основных технических ха­рактеристик передатчика: диапазон, шаг сетки рабочих частот, виды сигналов. В ряде передатчиков усилительные тракты строятся широкополосными, поэтому и такие характеристики передатчика, как уровень внеполосных побочных излучений шумов, целиком определяются возбудителем.

Современные возбудители являются достаточно сложными уст­ройствами, при построении их применяются разнообразные методы, но в большинстве случаев в составе структурной схемы возбудителя можно выделить устройство для формирования сигналов при различных видах работы, тракт преобразования сигнала на рабочую частоту и синтезатор частот.

Устройство формирования сигналов обеспечивает формирование радиосигналов всех видов на сравнительно, невысокой фиксированной частоте. Номинал этой частоты во многих возбудителях стал стандартным -128 кГц. Для переноса сигнала в рабочий диапазон применяется несколько преобразований частоты с помощью эталонных колебаний, поступающих от синтезатора.

Синтезатором частот называют устройство, которое создает выходные колебания, когерентные с колебанием эталонного опор­ного генератора.

Относительная нестабильность частоты выходных колебаний синтезатора равна относительной нестабильности частот опорногогенератора. Следовательно, нестабильность частоты сигнала на выходе возбудителя будет также определяться опорным генератором. Исключение составляют сигналы, для формирования которых используются отдельные генераторы.

Поскольку устройства формирования сигналов и синтезатор частот являются составными частями возбудителя, следует рассмотреть некоторые основные технические характеристики возбудителей, требования к ним и роль отдельных элементов возбудителя в обеспечении выполнения этих требований.

Виды радиосигналов. Современные возбудители рассчитаны на формирование непрерывных и дискретных радиосигналов. В настоящее время находят применение телефонная однополосная работа, телефонная работа с частотной модуляцией. При телеграфной работе используется амплитудное, частотное, фазовое телеграфирование.

 

Виды сигналов, используемых в системах радиосвязи [5]

В качестве переносчика сообщений используются высокочастотные электромагнитные колебания (радиоволны) соответствующего диапазона, способные распространяться на большие расстояния.

Колебание несущей частоты, излучаемое передатчиком, характеризуется: амплитудой, частотой и начальной фазой. В общем случае оно представляется в виде:

i = I_m sin(ω₀ t + Ψ₀ ), (3.1.1)

где: i -мгновенное значение тока несущего колебания;

I_m –амплитуда тока несущего колебания;

ω₀ –угловая частота несущего колебания;

Ψ₀ – начальная фаза несущего колебания.

Первичные сигналы (передаваемое сообщение, преобразованное в электрическую форму), управляющие работой передатчика, могут изменять один из этих параметров.

Процесс управления параметрами тока высокой частоты с помощью первичного сигнала, называется модуляцией (амплитудной, частотной, фазовой). Для телеграфных видов передач применяется термин «манипуляция».

В радиосвязи, для передачи информации, применяются радиосигналы[5]:

− радиотелеграфные;

− радиотелефонные;

− фототелеграфные;

− телекодовые;

− сложные виды сигналов.

Радиотелеграфная связь различается: по способу телеграфирования; по способу манипуляции; по применению телеграфных кодов; по способу использования радиоканала.

В зависимости от способа и скорости передачи радиотелеграфные связи делятся на ручные и автоматические. При ручной передаче манипуляция осуществляется телеграфным ключом с использованием кода МОРЗЕ. Скорость передачи (при слуховом приеме) составляет 60-100 знаков в минуту.

При автоматической передаче манипуляция осуществляется электромеханическими устройствами, а прием с помощью печатающих аппаратов. Скорость передачи 900 – 1200 знаков в минуту.

По способу использования радиоканала телеграфные передачи подразделяются на одноканальные и многоканальные.

По способу манипуляции к наиболее распространенным телеграфным сигналам относятся сигналы с амплитудной манипуляцией (АТ – амплитудный телеграф – А1), с частотной манипуляцией (ЧТ и ДЧТ – частотная телеграфия и двойная частотная телеграфия – F1 и F6), с относительной фазовой манипуляцией (ОФТ – фазовая телеграфия – F9).

По применению телеграфных кодов используются телеграфные системы с кодом МОРЗЕ; стартстопные системы с 5-ти и 6-ти значным кодом и другие.

Телеграфные сигналы представляют собой последовательность прямоугольных импульсов (посылок) одинаковой или различной длительности. Наименьшая по длительности посылка называется элементарной.

Основные параметры телеграфных сигналов: скорость телеграфирования (V); частота манипуляции (F);ширина спектра (2D f).

Скорость телеграфирования V равна количеству элементарных посылок, передаваемых за одну секунду, измеряется в бодах. При скорости телеграфирования 1 бод за 1 с передается одна элементарная посылка.

Частота манипуляции F численно равна половине скорости телеграфирования V и измеряется в герцах: F= V/2.

Амплитудно-манипулированный телеграфный сигнал имеет временную диаграмму и спектр, показанные на рис.3.1.22. В спектре кроме несущей частоты f₀, содержится бесконечное множество частотных составляющих, расположенных по обе стороны от нее, с интервалами равными частоте манипуляции F. На практике для уверенного воспроизведения телеграфного радиосигнала достаточно принять кроме сигнала несущей частоты по три составляющих спектра, расположенных по обе стороны от несущей. Таким образом, ширина спектра амплитудно-манипулированного телеграфного ВЧ сигнала равна 6F. Чем больше частота манипуляции, тем шире спектр ВЧ телеграфного сигнала.

 

Рис. 3.1.22. Амплитудно-манипулированный телеграфный сигнал и его спектр

При частотной манипуляции ток в антенне Ia по амплитуде не изменяется, а меняется только частота в соответствии с изменением манипулирующего сигнала(рис.3.1.23). Спектр сигнала ЧТ (ДЧТ) (рис.3.1.23) представляет собой как бы спектр двух (четырех) независимых амплитудно-манипулированных колебаний со своими несущими частотами. Разность между частотой «нажатия» и частотой «отжатия» называется разносом частот, обозначается ∆f и может находиться в пределах 50 – 2000 Гц (чаще всего 400 – 900 Гц). Ширина спектра сигнала ЧТ составляет 2∆f+3F.

 

Рис.3.1.23. Частотно-манипулированный телеграфный сигнал и его спектр

 

Для повышения пропускной способности радиолинии применяются многоканальные радиотелеграфные системы. В них на одной несущей частоте радиопередатчика, можно передавать одновременно две и более телеграфные программы. Различают системы с частотным уплотнением каналов, с временным разделением каналов и комбинированные системы.

Простейшей двухканальной системой является система двойного частотного телеграфирования (ДЧТ). Сигналы, манипулированные по частоте в системе ДЧТ передаются путем изменения несущей частоты передатчика вследствие одновременного воздействия на него сигналов двух телеграфных аппаратов. При этом используется то, что сигналы двух аппаратов, работающих одновременно, могут иметь лишь четыре сочетания передаваемых посылок. При таком способе в любой момент времени излучается сигнал одной частоты, соответствующий определенному сочетанию манипулированных напряжений. В приемном устройстве имеется дешифратор, с помощью которого формируются телеграфные посылки постоянного напряжения по двум каналам.

Для передачи радиотелефонных сообщений применяются в основном амплитудно-модулированные и частотно-модулированные высокочастотные сигналы. Модулирующий НЧ сигнал представляет собой совокупность большого количества сигналов разных частот, расположенных в некоторой полосе. Ширина спектра стандартного НЧ телефонного сигнала, как правило, занимает полосу 0,3‑3,4 кГц.