Общая характеристика. Телевизионное радиовещание осуществляется в метровом диапазоне волн, занимая полосы: 48,5…66, 74…100, 174…230 МГц (каналы с 1-го по 12-й), и в дециметровом диапазоне волн в полосе 470…958 МГц (номера каналов с 21-го по 81-й). Телевизионное РПДУ состоит из двух самостоятельных передатчиков, один из которых передает сигнал изображения, другой - звуковое сопровождение. В передатчике изображения осуществляется АМ с частично подавленной нижней боковой полосой, в передатчике звука – частотная модуляция. Модулирующий сигнал передатчика изображения включает: видеосигнал яркости - преобразованное в электрический сигнал оптическое изображение, сигнал цветности и сигналы синхронизации - строчный и кадровый.
Спектр частот такого сложного сигнала занимает полосу 0…6,5 МГц. Нижнее значение частоты в этом спектре связано с медленно изменяющейся освещенностью передаваемого изображения. При таком модулирующем сигнале после АМ радиосигнал должен был бы занимать полосу частотой 13 МГц. Однако для сужения ширины спектра излучаемого сигнала нижняя боковая полоса частично подавляется, и в целом спектр радиосигнала телевизионного РПДУ занимает полосу 8 МГц (рис. 24.3).
Параметры радиосигнала передатчика звука соответствуют параметрам радиосигнала УКВ ЧМ вещания и занимают полосу 145 кГц. Частота несущей этого передатчика располагается выше спектра, занимаемого передатчиком изображения (рис. 24.3). Мощность наземных РПДУ изображения в зависимости от условий вещания и охвата обслуживаемой территории составляет от нескольких сотен ватт до 50 кВт, а РПДУ звука - в 10 раз меньше, т.е. не более 5 кВт.
Структурная схема телевизионного РПДУ.
Каждый из РПДУ (изображения и звука) состоит из двух полукомплектов, мощности которых суммируются с помощью мостовых устройств. Таким образом, в целом телевизионный передатчик включает: четыре ВЧ или СВЧ усилителей мощности, работающих на общую антенну; сумматоры сигналов; общий фильтр-дуплексер; возбудитель AM передатчика изображения и возбудитель ЧМ передатчика звука. При выходе из строя одного из полукомплектов мощность соответствующего РПДУ снижается в четыре раза. Но путем переключения мощность работающего полукомплекта направляется непосредственно в антенну, минуя сумматор, и тогда излучаемая мощность снижается всего в два раза. После мостовых устройств включается фильтр-дуплексер, имеющий два входа с разными частотными полосами и один общий выход, что позволяет направить в одну антенну два сигнала с разными частотами.
Возможна и другая структурная схема телевизионного РПДУ, при которой сначала с помощью фильтра-дуплексера объединяются полукомплекты передатчиков изображения и звука, а затем их мощности суммируются с помощью общего мостового устройства. При мощности до 1 кВт телевизионный передатчик метрового диапазона может быть полностью полупроводниковым, при большей мощности - в выходных каскадах используются электровакуумные приборы. Передатчик звука по схеме и конструкции практически совпадает с РПДУ УКВ ЧМ радиовещания. Передатчик сигнала изображения. Одна из возможных структурных схем такого передатчика приведена на рис. 24.4.
В устройстве формирование сигнала с АМ, с частично подавленной нижней боковой полосой (рис. 24.4), производится на промежуточной частоте в блоке АМ–ПЧ.
Блок должен обеспечивать высокую линейность модуляционной характеристики и АЧХ с малой неравномерностью, что достигается с помощью фильтров и специальных корректоров. Сформированный AM сигнал изображения подается на смеситель, взаимодействует с сигналом стабильного синтезатора частот и переносится в требуемую полосу частот, отведенную для данного телевизионного передатчика.
Усилитель мощности, работающий в режиме усиления АМ колебаний, должен иметь линейную амплитудную характеристику, равномерную АЧХ в пределах 8 МГц и не вносить искажений в усиливаемый по мощности сигнал.
Для соблюдения норм по подавлению побочных излучений радиопередатчика на его выходе включают полосовой фильтр с полосой пропускания 8 МГц.
Телевизионный передатчик 10 имеет мощность в несколько десятков киловатт.
Телевизионные передатчики работают в диапазонах метровых и дециметровых волн. Телевизионный сигнал, состоящий из сигналов, передающих яркость изображения, синхронизирующих и гасящих импульсов, занимает согласно принятому в СССР стандарту полосу в 6 5 МГц; для передачи его используется амплитудная модуляция. Сигналы звукового сопровождения передаются специальным передатчиком с использованием частотной модуляции.
Телевизионный передатчик должен обеспечивать передачу как черно-белых сигналов, так и цветной программы. Для достижения этого необходимо, чтобы генератор на 31 5 кгц мог управляться автоматической схемой, которая синхронизировала бы его с сигналами, возникающими в студии.
Телевизионные передатчики представляют особый случай благодаря высоте, типу антенны и большой излучаемой длине волны. Основные элементы сложной телевизионной антенны обычного типа состоят из двойной линзы, дополненной плоскими рефлекторами, изменяющими диаграмму излучения.
| Структурная схема импульсно-модулированного передатчика радиолокационной станции.| Структурная схема передатчика когерентной РЛС. |
Видеотракт телевизионного передатчика должен пропускать модулирующие частоты от 50 Гц до 5 5 МГц. В тракте осуществляются коррекция линейных и нелинейных искажений, ограничение уровня белого, регулировка глубины модуляции. В выходном каскаде производится восстановление постоянной составляющей, которая не проходит через тракт усиления.
Объектив телевизионного передатчика отбрасывает изображение свободно падающего предмета, находящегося перед ним на расстоянии d5 м, на светочувствительный слой передающей трубки.
Для ретрансляционных телевизионных передатчиков и передатчиков специальных назначений, работающих на одно приемное устройство, антенная система должна иметь диаграмму направленности, сжатую в узком телесном угле. Такое сжатие диаграммы направленности выгодно энергетически, так как позволяет сконцентрировать всю излучаемую мощность высокочастотных колебаний в направлении радиоприемного устройства. Отношение мощности, излучаемой в единице телесного угла в нужном направлении, ко всей излучаемой мощности, поделенной на полный телесный угол - 4я, называют коэффициентом усиления антенны.
К телевизионным передатчикам предъявляются жесткие требования к равномерности амплитудно-частотной и линейности фазочастотной характеристик, отступление от которых приводит к окантовке и мно-гоконтурности изображения. К этому же может привести отсутствие хорошего согласования с антенной.
В телевизионных передатчиках применяют схемы с модуляцией на высоком (в выходном каскаде передатчика), среднем и низком уровнях мощности. При модуляции на высоком уровне мощности радиочастотный канал до модулируемого каскада представляет собой задающий генератор и усилитель немодулированных колебаний, а канал модуляции - мощный видеоусилитель. Применяется обычно сеточная модуляция, потому что другие, более эффективные, методы модуляции (анодная, анодно-экранная) не могут быть использованы из-за необходимости применения широкополосного анодного трансформатора, который технически невыполним. На выходе модулируемого каскада устанавливается фильтр подавления нижней боковой полосы, который при больших мощностях передатчика представляет собой сложное радиотехническое устройство. Для повышения эффективности модулятора его выполняют в виде широкополосного усилителя постоянного тока, поскольку многократное (на выходе каждого каскада) вос-станавление средней составляющей сигнала приводит к существенным искажениям последнего.
[ ] .
История развития
С 1912 года применялись передатчики с электрической дугой , включенной в колебательный контур. Дуговой передатчик , в отличие от искрового, генерирует незатухающие колебания, то есть позволяет передавать голосовой сигнал с амплитудной модуляцией. Телеграфный сигнал приходилось передавать методом частотной манипуляции : при нажатом ключе смещалась настройка колебательного контура, и передатчик излучал на другой частоте; именно на эту частоту следовало настраивать приемники. Дуговым был, например, 100-киловаттный передатчик радиостанции на Шаболовке в Москве, пущенный в действие в феврале 1920 года. Из-за свойств дугового разряда дуговые генераторы работали только на длинных волнах, получить с их помощью частоту больше 400 кГц невозможно.
Другим направлением было использование в передатчике электромашинного генератора переменного тока (примерно с 1908 года). Такой генератор позволял получить достаточно стабильные колебания определенной частоты, которую можно изменять, регулируя частоту вращения ротора генератора. Мощность могла достигать десятков и сотен киловатт. Сигнал такого генератора можно модулировать по амплитуде , что позволяет передавать по радио звуковой сигнал. Однако электромашинный генератор практически пригоден для генерации частот не выше десятков килогерц, то есть передатчик может работать только в самом длинноволновом диапазоне. До 1950-х годов электромашинные передатчики использовались в радиовещании и радиосвязи. Так, в 1925 г. на Октябрьской радиостанции в Ленинграде были установлены два генератора мощностью 50 и 150 кВт конструкции В. П. Вологдина . Как исторический памятник в Швеции сохраняется в рабочем состоянии радиостанция Гриметон (открыта в 1925 г.) с генератором Александерсена мощностью 200 кВт, спроектированным для работы на частотах до 40 кГц.
Дальнейшие изобретения в области связи и радиотехники - твердотельные аналоги электронных ламп (транзисторы), кварцевые резонаторы , новые виды модуляции и методы стабилизации частоты - сопровождались только количественными изменениями параметров радиопередатчиков: уменьшением размеров и потребляемой мощности, повышением стабильности и КПД, расширением частотного диапазона и т. д.
Структурная схема
Современный радиопередатчик состоит из следующих конструктивных частей:
- задающий генератор частоты (фиксированной или перестраиваемой) несущей волны;
- модулирующее устройство , изменяющее параметры излучаемой волны (амплитуду, частоту, фазу или несколько параметров одновременно) в соответствии с сигналом, который требуется передать (часто задающий генератор и модулятор выполняют в одном блоке - возбудитель);
- усилитель мощности , который увеличивает мощность сигнала возбудителя до требуемой за счёт внешнего источника энергии;
- устройство согласования, обеспечивающее максимально эффективную передачу мощности усилителя в антенну;
- антенна , обеспечивающая излучение сигнала.
Применение
Радиопередатчики, помимо их использования в радиовещании, являются необходимой составной частью многих электронных устройств, которые обмениваются информацией друг с другом по радио, например, мобильные телефоны , беспроводные компьютерные сети , Bluetooth -совместимые устройства, рации на самолётах , кораблях и космических радиолокационных установках, а также навигационные маяки [ ] .
Самостоятельно радиопередатчики используются в тех областях, где не нужен приём информации в месте её передачи - сигналы точного времени, разнообразные навигационные радиомаяки для определения местоположения объектов, многопозиционная
Адресация в сетях Х.25. Рекомендация Х.121 CCITT определяет международную систему нумерации адресов для сетей передачи данных общего пользования. Если сеть Х.25 хочет обмениваться данными с другими сетями Х.25, то в ней нужно придерживаться адресации стандарта Х.121.
Адреса Х.121 (называемые также International Data Numbers, IDN) имеют разную длину, которая может доходить до 14 десятичных знаков. Первые четыре цифры IDN называют кодом идентификации сети (Data Network Identification Code, DNIC) . DNIC поделен на две части; первая часть (3 цифры) определяет страну, в которой находится сеть, а вторая - номер сети Х.25 в данной стране. Таким образом, внутри каждой страны можно организовать только 10 сетей Х.25. Если же требуется перенумеровать больше, чем 10 сетей для одной страны, проблема решается тем, что одной стране дается несколько кодов.
Технология Frame Relay (FR ) была разработана специально для передачи неравномерного компьютерного трафика через «хорошие» каналы связи. Сети FR, как и сети X.25, работают на основе виртуальных каналов, но с каждым таким каналом теперь связываются не только параметры пути (метки), но и параметры QoS. Сети X.25 свойственно большая избыточность стека протоколов, в них процедуры обнаружения и исправления ошибок, а также процедуры управления потоком данных предусмотрены и на канальном, и на сетевом уровнях. Узел FR при получении кадра выполняет лишь две функции:
Проверка целостности кадра. Если нет, то кадр будет отброшен;
Проверка правильности адреса. Если адрес неизвестен, то кадр опять же будет отброшен.
При обнаружении ошибки узел FR просто отбрасывает сбойный пакет, не заботясь о необходимости повторной его посылки, - за это ответственно оборудование оконечных пользователей. По сравнению с Х.25, FR затрачивает значительно меньше времени на обработку одного кадра информации, что приводит к задержке всего в 3 мсек/узел, при том, что Х.25-задержка составляет до 50 мсек/узел.
В сети FR могут быть использованы два типа виртуальных каналов: коммутируемые (SVC) и постоянные (PVC). FR оперирует, в основном, с постоянными виртуальными каналами (PVC). Коммутируемые виртуальные соединения применяются в FR достаточно мало.
Компонентами сети FR являются устройства трех основных категорий (рисунок 8.2):
Устройства DTE (Data Terminal Equipment);
Устройства DCE (Data Circuit-Terminating Equipment);
Устройства FRAD (Frame Relay Access Device).
Рисунок 8.2 - Структура сети с протоколом Frame Relay
Основу сети FR образуют специализированные коммутаторы – FRAD (FrameRelay Access Device, устройство доступа к сети с ретрансляцией кадров)
Недостатки Frame Relay. Технология Frame Relay не дает гарантий по задержкам передачи кадров, оставляя эту услугу сетям АТМ.
ATM - Asynchronous Transfer Mode - Асинхронный режим переноса. Сущность технологии АТМ. Транспортирование всех видов информации пакетами фиксированной длины (ячейками), когда потоки ячеек от различных пользователей асинхронно мультиплексируются в едином цифровом тракте. В качестве протокольной единицы в АТМ прият пакет фиксированной длины, включающий заголовок (5 октетов) и информационное поле (48 октетов), общая длина пакета равна 53 октетам.
Из-за возможности возникновения выходных конфликтов в коммутаторе АТМ должна быть предусмотрена возможность буферизации пакетов АТМ. И виртуальные каналы (VC), и виртуальные пути (VP) определены как виртуальные соединения между смежными объектами маршрутизации в ATM сети.
Логическая связь между двумя конечными пользователями состоит из ряда виртуальных связей, если коммутируются n коммутационных узлов, виртуальный путь является связкой виртуальных каналов. Так как виртуальное соединение маркируется посредством иерархического ключа VPI/VCI (идентификатор виртуального пути / идентификатор виртуального канала) в заголовке ATM ячейки, коммутационная схема может использовать или коммутацию полного VC или только VP коммутацию.
Первый случай соответствует полному ATM коммутатору, в то время как последний случай относится к упрощенному коммутационному узлу с уменьшенной обработкой, где минимальный объект коммутации – виртуальный путь. Поэтому коммутатор VP/VC повторно назначает новый VPI/VCI на каждую коммутируемую виртуальную ячейку, принимая во внимание, что только VPI повторно назначается в коммутаторе VP.
Лекция 12. Радиоканалы. Диапазон радиоволн. Радиотехнические системы
Радиоканалы. Радиотехника – научно- техническая область, задачами которой является:
1) изучение принципов генерации, усиления, излучения и приема электромагнитных колебаний и волн, относящихся к радиодиапазону;
2) практическое использование этих колебаний и волн для целей передачи, хранения и преобразования информации.
На первоначальном этапе своего развития вслед за изобретением радио
(А.С.Попов, 1895 г. и Г.Маркони, 1901 г.) и радиотехника решала преимущественно проблемы электросвязи, используя электромагнитные колебания с длинами волн в несколько сотен или тысяча метров. В настоящее время круг применений необычайно расширился. Радиосвязь, спутниковая и подвижная радиосвязь, телевидение, радиоуправление, радиолокация, радионавигация, радиотехнические методы в различных областях науки, техники и в других отраслях жизнедеятельности человека.
Науку, занимающимся изучением физических основ радиотехники, называют радиофизикой . Радиофизика – быстро развивающая ветвь прикладного естествознания, тесно связанная с такими фундаментальными областями как квантовая механика, физика твердого тела и др.
Проникновение радиотехники в смежные области (электронику, вычис-лительную технику) обусловило возникновение широкой научно-технической области, получившей собирательное название радиоэлектроники .
Теория связи – в настоящее время наиболее динамично развивающая дисциплина. Системы связи включают в себя все основные устройства, применяемые в большинстве радиотехнических систем. В теории связи принято следующее определение: совокупность технических средств для передачи сообщений от источника к потребителю называется системой связи.
Рассмотрим общие принципы построения систем радиосвязи(радиоканала). Условно все существующие системы радиосвязи можно разделить на два больших класса: симплексные (связь «один –ко –всем») и дуплексные (связь «один-на-один») системы связи.
Под симплексной связью понимают связь двумя пунктами, при которой в каждом из них передача и прием сообщений ведутся поочередно на одной несущей частоте. Часто симплексная связь используется для передачи информации в одном направлении, например, радиовещание, телевидение, оповещение и т.д. Дуплекснаясвязь – двусторонняя радиосвязь между двумя пунктами, при которой передача и прием сообщений осуществляется одновременно на разных частотах. В настоящее время применяется такая разновидность симплексной связи, как полудуплексная связь (двухчастотный симплекс), когда система обеспечивает поочередно передачу и прием информации на двух разных несущих частотах с использованием ретрансляторов. Отметим, что ретранслятор (от ре… и лат. translator – переносчик) – радиотехническое устройство, используемое как промежуточный приемопередающий пункт линии радиосвязи.
По числу используемых каналов различают одноканальные и многоканальные системы связи. Задача многоканальных систем связи – одновременная передача сообщений от многих источников, т.е. увеличение пропускной способности (часто используется термин емкость). В таких системах для передачи сообщений от многих источников используется один тракт (канал). Для увеличения пропускной способности большинства систем связи применяют временное и частотное уплотнение сигналов.
При временном уплотнении, благодаря тому, что сигналы передаются не непрерывно, а только их отсчетами (выборками) в очень короткие временные интервалы, на одной и той же несущей частоте можно передавать ряд различных сигналов. Для этого разные сигналы U 1 (t), U 2 (t), …, U n (t), отражающие группу передаваемых сообщений, подключают к передатчику через аналоговый мультиплексор (селектор или аналоговый коммутатор; от лат. multiplex – сложный, многократный). Сигналы сообщений, дискретизированные по времени, передаются с помощью одного из видов импульсной модуляции.
Информация - совокупность сведений об объектах, рассматриваемая с позиций передачи этих сведений в пространстве и во времени.
Рассмотрим общую схему передачи и приема информации:
Рисунок 12.1 - Общая схема передачи и приема информации
Здесь ИИ - источник информации (сообщение); ПС - преобразование в электрический сигнал; Кд – кодирование; М – модулятор; ГН - генератор несущей; РУ - регистрирующее устройство; ДО - декодирование, обработка, выделение из помех; УНЧ - усилитель низкой частоты; Д - детектор (демодулятор); УВЧ - усилитель высокой частоты, ИВЦ - избирательная входная цепь. Канал передачи информации - комплекс устройств, используемых для передачи информации от источника до получателя, а также разделяющая их среда.
Рассмотрим аналоговую систему связи. Одним из важных звеньев любой системы связи является источник сообщения , подлежащего передаче. В общем случае исходное сообщение не является электрическим, и поэтому его необходимо преобразовать в электрический (первичный) сигнал с помощью электрофизического преобразователя сигнала (ЭФПС), проще преобразователя сигнала (ПС). Так, например, при передаче речи и музыки такое преобразование осуществляется микрофоном, при передаче изображения – передающими телевизионными трубками, в телеграфии – с помощью телеграфного аппарата последовательность элементов сообщения (букв) заменяется последовательностью кодовых символов (0,1 или точка, тире), которая одновременно преобразуется в последовательность электрических импульсов постоянного тока, при передаче информации о каких-либо неэлектрических процессах или величинах – специальными датчиками. В последнее время в структурных схемах радиоканала источник сообщения и преобразователь сигнала объединяют в одно звено, называемое источником первичных сообщений .
Как уже отмечалось, передаваемый (первичный) сигнал является низкочастотным. Однако термин низкочастотный здесь достаточно условен; в частности, телевизионный сигнал имеет спектр с полосой порядка 0…6 МГц. Поэтому в некоторых случаях первичный сигнал непосредственно передают по линии связи. Так поступают, например, в обычной городской телефонной связи. Для передачи на большие расстояния (по кабелю, оптическому волокну или радиоканалу) первичный сигнал преобразуют в высокочастотный.
Преобразование сообщения в электрический сигнал должно быть обратимым. В этом случае по выходному сигналу можно восстановить входной первичный сигнал, т.е. получить всю информацию, содержащуюся в переданном сообщении. В противном случае часть информации будет потеряна при передаче сигнала.
Передающее устройство включает в себя, кроме преобразователя сигнала, передатчик (содержащий модулятор, генератор несущей частоты и усилитель мощности ) и передающую антенну (Рис.1). Для передачи сообщения сигнал необходимо предварительно ввести в несущее высокочастотное электромагнитное колебание. Это осуществляется в модуляторе передатчика. Несущее колебание вырабатывается генератором несущей частоты .
Процесс, в результате которого один или несколько параметров несущего колебания изменяется по закону передаваемого сообщения, называется модуляцией (от лат.modulatio – размеренность). Модулированное высокочастотное колебание относят к вторичным сигналам и называют радиосигналом . Один из известных популяризаторов радиотехники А.А. Харкевич так образно оценил значение модуляции при передаче информации: «Излучение радиоволн без модуляции подобно чистой странице; модулированное колебание подобно странице, на которой нанесены знаки и буквы».
При передаче сообщения по радиоканалу используют несколько видов модуляции: амплитудную, частотную, фазовую, импульсную, импульсно-кодовую и др. Амплитудная модуляция является наиболее простым и распространенным способом введения передаваемого сообщения (модули-рующего сигнала) в высокочастотное несущее колебание. При амплитудной модуляции по закону передаваемого сообщения изменяется только амплитуда несущего колебания при неизмененных остальных его параметрах.
Цифровые (дискретные) системы связи . В цифровых (дискретных, импульсных) системах передачи энергия сигнала излучается не непрерывно (как при гармоническом переносчике), а в виде коротких радиоимпульсов. Это позволяет при той же общей энергии излучения, что и при непрерывном переносчике, увеличить пиковую (максимальную) мощность в соответствующем импульсе и тем самым повысить помехоустойчивость приема. В качестве переносчика первичного сигнала e(t) в импульсных системах связи используют периодическую последовательность видео – и радиоимпульсов.
Непрерывные сообщения можно передавать по дискретным (цифровым) системам связи. Для этого их преобразуют в цифровую форму с помощью операций дискретизации по времени, квантования по уровню и кодирования. Под кодированием в широком смысле понимают отображение сообщения в сигнал для передачи его по каналу. Под кодированием в узком смысле понимают операцию преобразования сообщений дискретного источника для передачи их по дискретному каналу. При этом дискретные сообщения преобразуются в последовательность кодовых символов. Если иное не указано, под словом кодирование далее будет подразумеваться кодирование в узком смысле. Система кодирования – совокупность правил кодового обозначения объектов.
В передающем устройстве цифровой системы радиосвязи кодирование передаваемого сигнала выполняется цифровой микросхемой, называемой кодером (Рис.1). На выходе кодера передаваемый первичный сигнал имеет вид цифрового кода – некую последовательность импульсов («единиц») и пауз («нулей»), обычно имеющих одинаковую длительность.
В модуляторе передатчика несущее колебание модулируется полученной в кодере импульсной последовательностью. Чаще всего в цифровых системах связи используется так называемая импульсно- кодовая модуляция (ИКМ). В случае применения ИКМ дискретные значения непрерывного сигнала передаются в виде кодовых комбинаций. При использовании двоичного представления, кодовая комбинация может выражать целое число, равное соответствующему уровню непрерывного сигнала в момент его дискретного отсчета.
Итак, в цифровой системе передачи превращение сообщения в радиосигнал осуществляется тремя операциями: преобразованием, кодированием и модуляцией (в аналоговой системе двумя – преобразованием и модуляцией). Отметим, что кодирование определяет математическую сторону, а модуляция – физическую сторону превращения сообщения в сигнал. По существу кодирование представляет собой преобразование сообщения в последовательность символов, а модуляция – преобразование этих символов в сигналы, пригодные для передачи по цифровому каналу. С помощью кодирования и модуляции источник сообщений согласуется с каналом связи.
В приемнике после усиления на радиочастоте, из сигнала промежуточной частоты (принятого вторичного сигнала) с помощью демодулятора извлекается последовательность кодовых символов (первичный сигнал). Затем производится декодирование этих символов в декодере . Декодирование состоит ввосстановлении сообщения по принимаемым кодовым символам. С выхода декодера восстановленный аналоговый сигнал поступает к получателю сообщений.
В современных цифровых системах передачи информации используются две группы относительно самостоятельных, совмещенных в отдельные микро-схемы, аналого–цифровых устройств – кодеки и модемы. Кодеком называется пара преобразователей кодер-декор (как правило, это логические устройства), а модемом – пара преобразователей модулятор - демодулятор.
Модемы выполняют набор различных функций и в зависимости от принципов их реализации разделяются на проводные или телефонные модемы, сотовые модемы, пакетные радиомодемы, связные высокочастотные радиомодемы, цифровые модемы, факс- модемы и пр. Проводные модемы включаются в системах связи между телефонной сетью общего пользования и управляющим компьютером.
Распространение и диапазон радиоволн. Общепринято следующее разде-ление электромагнитных волн по частотам:
Мириаметровые:l =100км, 10 км; ОНЧ (очень низкие частоты) f = 3 кГц ¸ 30 кГц;
длинные: l = 10 км ¸ 1 км; НЧ (низкие частоты) f = 30 кГц ¸ 300 кГц;
средние: l = 1000 м ¸ 100 м; СЧ (средние частоты) f = 300 кГц ¸ 3 МГц;
короткие: l = 100 м ¸ 10 м; ВЧ (высокие частоты) f = 3 МГц ¸ 30 МГц;
метровые: l = 10 м ¸ 1 м; ОВЧ (очень высокие) f = 30 МГц ¸ 300 МГц;
дециметровые: l = 1,0 м ¸ 0,1 м; УВЧ (ультравысокие частоты) f = 300 МГц ¸ 3 ГГц;
сантиметровые: l = 10 см ¸ 1 см; СВЧ (сверхвысокие частоты) f = 3 ГГц ¸ 30 ГГц;
миллиметровые: l = 10 мм ¸ 1 мм; КВЧ (крайне высокие частоты) f = 30 ГГц ¸ 300 ГГц;
децимиллиметровые: l = 10 мм ¸0,1 мм; ГВЧ (гипервысокие частоты) f = 300 ГГц, 3000 ГГц;
оптический: l = 100 мкм, 0,01 мкм; оптический диапазон f = 3 ТГц, 30000 ТГц.
На выбор того или иного диапазона волн для каждой конкретной системы связи оказывают влияние следующие факторы:
а) Особенности распространения электромагнитных волн данного диапазона, состояние пространства, в котором распространяется волна. Длинные волны сильно поглощаются землей, короткие и ультракороткие не огибают препятствия. Длинные, средние и короткие могут отражаться от верхних слоев атмосферы.
б) Технические условия: направленность излучения, применение антенной системы соответствующих размеров, генерирование мощных колебаний и управление ими, схема приемного устройства.
Направленность излучения можно обеспечить, если антенное устройство по размерам существенно превышает длину волны. Направленность имеет большое значение в радиолокации, радионавигации. Большая мощность колебаний требуется на длинных волнах вследствие поглощения землей, а на других диапазонах - при сверхдальней космической связи. Освоение новых диапазонов требует новых технических средств, вследствие чего переход в коротковолновую область происходил постепенно по мере освоения генерирующих устройств.
в) Характер шумов и помех в данном диапазоне. Регулярно проводятся исследования прохождения радиоволн различных диапазонов.
г) Характер сообщения (количество информации и связанная с этим ширина спектра (диапазон частот).
Так, телевидение ввиду большой передаваемой информации должно иметь широкий спектр частот, поэтому оно возможно только на УКВ.
Таким образом, при передаче и приеме сообщении по радиоканалу производятся следующие операции:
1. Сообщениеможет быть в виде знаков (печать), звуковых сигналов (речь, музыка), светового изображения или сигнала и др.
2. Преобразование речи и музыки в электрический сигнал осуществляется с помощью микрофона, преобразование изображений - с помощью телевизионных передающих трубок. Письменное сообщение сначала кодируется, когда каждая буква текста заменяется комбинацией стандартных символов (точки - тире, ноль - единица), которые затем преобразуются в стандартные электрические сигналы (например, импульсы разной длительности, полярности и т. д.). Кодированию могут подвергаться все сообщения, причем одновременно может производиться их шифровка.
3. Генерация высокочастотных колебаний. Основные требования: диапазон частот, стабильность частоты, мощность (до миллионов ватт).
4. Модуляция - изменение одного или нескольких параметров высокочастотного колебания по закону передаваемого сообщения. Частоты модулирующего сигнала должны быть малы по сравнению с частотой несущей.
5. Выделение нужного сигнала в приемнике из всех колебаний в эфире осуществляется входной избирательной цепью с помощью резонансных колебательных систем Df/f до 10 -6 .
6. Усиление слабых сигналов в приемнике. Антенна принимает сигнал мощностью 10 -10 ¸10 -14 Вт (~ 10 -6 В). На выходе приемника для надежной регистрации сигнала требуется мощность порядка единиц ватт, т. о. необходимо усиление по мощности до 10 10 ¸10 14 , по напряжению - до 10 7 . Это достигается с помощью многокаскадных усилителей высокой, промежуточной и низкой частот.
7. Детектирование (демодуляция) - выделение низкочастотного сообщения (информационного электрического сигнала) из модулированного высокочастотного сигнала. Осуществляется с помощью различного рода детекторов (синхронных, амплитудных, квадратичных).
8. Декодирование - восстановление исходной формы информационного сообщения из электрических сигналов стандартной формы после детектирования. Для зашифрованных сигналов производится расшифровка. В простейшей системе связи кодирующее и декодирующее устройства могут отсутствовать. При передаче сообщения по проводам (телеграф) могут отсутствовать радиопередающее и радиоприемное устройства.
Литература:
Контрольные вопросы:
1. Какие виды сообщения имеются?
2. Дайте определение сигнала.
3. Мегаметровые длины волн к какому частотному диапазону относятся?
4. сантиметровые длины волн к какому частотному диапазону относятся?
5. Что является основной частью радиотехнической системы?
6. Из каких блоков состоит радиопередающее устройство?
7. Из каких блоков состоит радиоприемное устройство?
Лекция 13.Типы радиотехнических сигналов. Детерминованные и случайные сигналы. Аналоговые и дискретные сигналы
При передаче информации на расстояние с помощью радиотехнических систем используются различные виды радиотехнических сигналов. Традиционно радиотехническими принято считать любые электрические сигналы, относящиеся к радиодиапазону. С математической точки зрения, всякий радиотехнический сигнал можно представить некоторой функцией времени u (t ), которая характеризует изменение его мгновенных значений напряжения, тока или заряда.
Математической (аналитической) моделью сигнала называется его описание с помощью математических объектов (функций, векторов, распределений и т.д.), позволяющих делать выводы об особенностях сигнала, применяя формальные процедуры (например, математические преобразования) к его описанию.
Радиотехнические сигналы удобно рассматривать в виде математических функций, заданных во времени и физических координатах.
Сигнал есть физический процесс, несущий в себе информацию. Сигнал может быть звуковым, световым, в виде почтового отправления и др. Наиболее распространен сигнал в электрической форме в виде зависимости напряжения от времени u (t ). Сигнал - это физический процесс, распространяющийся в пространстве и времени, параметры которого способны отображать (содержать) сообщение. Под сигналом s (t ) будем понимать изменение во времени одного из параметров физического процесса.
Общая классификация сигналов приведена на рис. 13.1.
По особенностям структуры временного представления все радиотехнические сигналы подразделяются на аналоговые, дискретные (от лат. discretus – разделенный, прерывистый) и цифровые.
Если физический процесс, порождающий сигнал, можно представить непрерывной функцией во времени u (t ) (рис. 13.2, а), то такой сигнал называют аналоговым (непрерывным или, более обобщенно, континуальным , когда он имеет скачки, разрывы по оси амплитуд). Понятие «аналоговый» сигнал связано с тем, что его любое мгновенное значение аналогично (повторяет) закону изменения соответствующей физической величины во времени.
Рисунок 13.1 – Классификация сигналов
В радиоэлектронике и технике связи широко применяются импульсные системы, действие которых основано на использованиидискретных сигналов. Например сигнал, отражающий речь. Является непрерывным как по уровню, так по времени, а датчик температуры, выдающий ее значения через каждые 10 мин, служит источником сообщений, нерерывных по величине, но дискретных по времени.
Простейшая математическая модель дискретного сигнала – это последовательность точек на временной оси, в каждой из которых заданы значения соответствующего непрерывного сигнала (рис. 12.2, б ). Дискретные сигналы могут быть созданы непосредственно источником информации (например, дискретные отчеты в системах управления).
Одной из разновидностей дискретных сигналов является цифровой сигнал. Цифровым часто называют сигнал с конечным числом дискретных уровней, поскольку уровни можно пронумеровать числами с конечным количеством разрядов, реализованных в двоичном коде «0» и «1» или цифровой сигнал представляет из себя комбинацию узких импульсов одинаковой амплитуды, выражающих в двоичном виде дискретные отсчеты сигнала.
 |  |
 |  |
г 
цифровой
|
д) Рис.13.2-Графики сигналов
По математическому представлению (по степени наличия априорной информации ) все многообразие радиотехнических сигналов принято делить на две основные группы: детерминированные (регулярные) и случайные сигналы.
Детерминированным называется сигнал, который точно определен в любой момент времени (например, задан в аналитическом виде). Детерминированные сигналы могут быть периодическими и непериодическими. Периодическим называется сигнал, для которого выполняется условие s(t) = s(t + кT), где к - любое целое число, Т - период, являющийся конечным отрезком времени. Пример периодического сигнала - гармоническое колебание:
Любой сложный периодический сигнал может быть представлен в виде суммы гармонических колебаний с частотами, кратными основной частоте Непериодический сигнал, как правило, ограничен во времени. Случайным сигналом (рис. 13.3, б ) называют функцию времени, значения которой заранее неизвестны и могут быть предсказаны лишь с некоторой вероятностью. В качестве основных характеристик случайных сигналов принимают: а) закон распределения вероятности (относительное время пребывания величины сигнала в определенном интервале); б) спектральное распределение мощности сигнала.
Формы представления детерминированного и случайного сигналов показаны на рис.13.3.
Рис. 13.3. Сигналы: а - детерминированный; б - случайный
Последнее время характеризуется ускоренным переходом от аналоговых к цифровым методам обработки, передачи и хранения сигналов, имеющим ряд существенных преимуществ.
Литература: 1, 2; 6[ 46-61].
Контрольные вопросы:
1.Какие частоты и длины волн относятся к ОНЧ и НЧ диапазонам?
2.Какие частоты и длины волн относятся к СЧ и ВЧ диапазонам?
3.Какие частоты и длины волн относятся к ОВЧ и УВЧ диапазонам?
4.Какие частоты и длины волн относятся к СВЧ и КВЧ диапазонам?
5.Что представляет собой спектр (как выглядит) гармонического колебания? Запишите выражение гармонического колебания.
6.Начертите простейшую структурную схему системы радиосвязи.
Телевизионное радиовещание осуществляется в метровом диапазоне волн, занимая полосы: 48,5, 74 100, 174 230 МГц (номера каналов с 1-го по
12-й), и в дециметровом диапазоне волн в полосе 470 958 МГц (номера каналов с 21 –го по 81-й). Телевизионное радиопередающее устройство состоит из двух самостоятельных радиопередатчиков, один из которых передает сигнал изображения, а другой сигнал звукового сопровождения. В передатчике изображения осуществляется амплитудная модуляция с частично подавленной нижней боковой полосой, в передатчике звука – частотная.
Модулирующий сигнал передатчика изображения содержит видеосигнал яркости – преобразованное в электрический сигнал оптическое изображение, сигнал цветности и сигналы синхронизации – строчный и кадровый. Спектр частот такого сложного сигнала занимает полосу от 0 до 6,5 МГц. Нижнее значение частоты в этом спектре связано с медленно изменяющейся освещенностью передаваемого изображения. При таком модулирующем сигнале после амплитудной модуляции радиосигнал должен был бы занимать полосу частот 13 МГц. Однако для сужения ширины спектра излучаемого сигнала нижняя боковая полоса частично подавляется и в целом спектр радиосигнала телевизионного передатчика занимает полосу 8 МГц (Рис.14.1).
Рис.14.1. Спектр радиосигнала изображения и радиосигнала звука телевизионного радиопередатчика
Параметры радиосигнала передатчика звука соответствуют параметрам радиосигнала УКВ ЧМ вещания и занимают полосу 145 кГц. Частоты несущей этого передатчика располагается выше спектра, занимаемого передатчиком изображения (рис.14.1).
Мощность наземных радиопередатчиков изображения в зависимости от условий вещания и охвата обслуживаемой территории составляет от нескольких сотен ватт до 50 кВт, а радиопередатчиков звука – соответственно в 10 раз меньше, т.е.не более 5 кВт.
Структурная схема телевизионного радиопередатчика. Каждыйиз радиопередатчиков – изображения и звука – состоит из двух полукомплектов, мощности которых суммируются с помощью мостовых устройств. Таким образом, в целом телевизионный радиопередатчик, общая структурная схема которого приведена на рис. 13.2, содержит: четыре ВЧ или СВЧ усилителя мощности, работающих на общую антенну; сумматоры сигналов; Общий фильтр- дуплексер; возбудитель АМП передатчика изображения и возбудитель ЧМ передатчика звука.
При выходе из строя одного из полукомплектов мощность соответствующего радиопередатчика снижается в 4 раза. Но путем переключения мощность работающего полукомплекта направляется непосредственно в антенну, минуя сумматор, и тогда излучаемая мощность снижается всего в два раза. После мостовых устройств включается фильтр –дуплексер, имеющий два входа с разными частотными полосами и один общий выход, что позволяет направить в одну антенну два сигнала с разными частотами.
Рис.14.2. Общая структурная схема телевизионного радиопередатчика
Возможно и другая, чем показанная на рис.13.2, структурная схема телевизионного радиопередатчика, при которой сначала с помощью фильтра – дуплексера объединяются полукомплекты радиопередатчиков изображения и звука, а затем их мощности суммируются с помощью общего мостового устройства. При мощности до 1 кВт телевизионный радиопередатчик метрового диапазона может быть полностью полупроводниковым, при большей мощности – в выходных каскадах используются электровакуумные приборы. Радиопередатчик звука по схеме и конструкции практически совпадает с радиопередатчиком УКВ ЧМ радиовещания.
Основная литература: 6[ 434-447];9.
Контрольные вопросы
1. В номерах каналов номерами с 1-го по 12-й телевизионные радиопередатчики в каком диапазоне частот работают? 2. В номерах канало номерами с 21-го по 81-й телевизионные радиопередатчики в каком диапазоне частот работают? 3. Почему устройство телевизионного радиовещания состоит из двух отдельных радиопередатчиков?
4. Для чего применяется фильтр-дуплексер? 5. Из каких блоков состоит структурная схема телевизионного радиопередатчика?
Большинство радиотелевизионных станций в России в настоящее время представляют собой систему из двух передатчиков, работающих на общий антенно-фидерный тракт. Один из них служит для передачи видеосигнала и, поскольку такой сигнал занимает очень широкую полосу частот, в нём, с целью экономии радиоспектра, используется амплитудная модуляция. Именно к такому передатчику в дальнейшем будет относиться термин «телевизионный». Второй передатчик предназначен для передачи звукового сопровождения. Поскольку спектр звуковых сигналов в сотни раз уже спектра видеосигнала, для его передачи используется частотная модуляция, позволяющая обеспечить высокую помехоустойчивость приёма. Такой передатчик принципиально не отличается от передатчиков ЧМ радиовещания и, поэтому в дальнейшем рассматриваться не будет.
Структурная схема одного из вариантов построения телевизионной радиостанции приведена на рисунке 10.2.
Рисунок 10.2 – Структурная схема телевизионной радиостанции
Каждый передатчик радиостанции, для повышения надёжности, состоит из двух полукомплектов, работающих в мостовой схеме сложения мощностей с использованием квадратурных мостов (М ). В аварийной ситуации исправный полукомплект передатчика подключается к нагрузке в обход моста сложения мощностей с помощью переключателей s3…s6. Возбудитель также имеет резервный комплект, который в случае аварии включается в работу переключателями s1,s2.
Для обеспечения независимой работы передатчиков сигнала изображения и звукового сопровождения их выходы подключатся к антенно-фидерному тракту через разделительный фильтр (РФ ). Этот фильтр предотвращает взаимное влияние передатчиков, которое может привести к перегрузке выходных ступеней и перекрёстной модуляции. Общая колебательная система радиостанции выполняется в виде полосового фильтра гармоник (ФГ ).
Рассмотрим основные особенности телевизионного передатчика. Как уже было отмечено выше, в нем используется амплитудная модуляция. Однако и в этом случае полоса радиосигнала слишком велика (≈13 МГц ). Поэтому спектр амплитудно-модулированного сигнала ограничивают, частично подавляя нижнюю боковую полосу, как показано на рисунке 10.3а.
Рисунок 10.3 – Амплитудно-частотные характеристики.
При этом нижние частоты видеосигнала передаются двумя боковыми полосами, а частоты лежащие выше 1,25 МГц – одной боковой. Таким образом, в процессе фильтрации боковой полосы, удаётся избежать значительных изменений амплитуды и фазы несущего колебания и наиболее мощных составляющих видеосигнала, непосредственно примыкающих к несущей. Однако в этом случае сигнал на выходе приёмника имел бы вид, представленный на рисунке 10.3б. Чтобы не допустить искажение принятого сигнала, АЧХ приёмника формируют в соответствии с рисунком 10.3в. В результате частичного подавления боковых полос в области нижних модулирующих частот, характеристика принятого сигнала выравнивается (рисунок 10.3г). Поскольку вблизи частоты среза фильтра в приёмнике возникают значительные фазовые искажения, их компенсируют с помощью фазовых корректоров. Причём половина искажений корректируется в приёмнике, а остальная часть устраняется путём предкоррекции в передатчике. В результате частичного подавления нижней боковой полосы спектр сигнала на выходе телевизионного передатчика удаётся разместить в полосе 8 МГц вместе с сигналом передатчика звукового сопровождения, который при максимальной звуковой частоте 20 кГц и стандартной девиации 50 кГц занимает согласно (9.11) и (9.14) полосу 250 кГц . Несущая частота сигнала звукового сопровождения выбирается на 6,5 МГц выше частоты несущей сигнала изображения.
Вследствие униполярности видеосигнала возможны два варианта амплитудной модуляции. В одном случае максимальный уровень сигнала соответствует уровню «белого» (позитивная модуляция), в другом – уровню синхроимпульсов (негативная модуляция). В мировой практике аналогового телевидения оба варианта находят применение. Отечественным стандартом предусмотрена только негативная модуляция, при которой обеспечивается максимальная помехоустойчивость системы синхронизации.
Уровень «белого» при негативной модуляции составляет 12,5% от пикового значения видеосигнала. Углубление модуляции до 0% , и тем более перемодуляция, когда несущая пропадает, не допустимы, т.к. несущая сигнала изображения используется в качестве частоты гетеродина при формировании промежуточной частоты звукового канала в телевизионном приёмнике. Отсутствие несущей изображения приведёт к пропаданию звукового сигнала.
Наличие постоянной составляющей в видеосигнале приводит к необходимости построения видеотракта по схемам усиления постоянного тока, что крайне сложно и нецелесообразно в виду многочисленности усилителей и корректоров, которые также строятся с использованием усилительных каскадов. Поэтому основная часть видеотракта, как правило, строится на базе обычных усилителей, разделительные конденсаторы которых рассчитаны на пропускание частоты кадров. Постоянная составляющая при этом теряется, что приводит к увеличению размаха видеосигнала и низкой эффективности использования активных элементов. Эта особенность иллюстрируется рисунком 10.4. Здесь показано, как меняется уровень постоянной составляющей в видеосигнале при передаче двух изображений – чёрной полосы на белом фоне и белой полосы на чёрном (рисунок 10.4а). Если убрать постоянную составляющую в этом сигнале (рисунок 10.4б), то в пределах рабочего участка характеристики АЭ (Δевх ) сигнал поместится только при существенном (примерно в 1,7 раза) уменьшении его эффективного значения.
Рисунок 10.4 – Видеосигналы черной и белой полос
Соответственно уменьшится и эффективное значение выходного сигнала. С низким использованием АЭ можно мириться в маломощных предварительных ступенях; в мощной выходной ступени это недопустимо, поэтому на её входе постоянная составляющая должна быть восстановлена. Эта процедура выполняется с помощью специальных управляемых схем восстановления постоянной составляющей (ВПС ).
Ограниченное число каналов в 1- 3 телевизионных диапазонах (48,5÷ 230 МГц ), наиболее интенсивно используемых для телевизионного вещания, привело к необходимости использования работы в совмещённых каналах. Иначе говоря, одна и та же частота используется для вещания в разных населённых пунктах. При этом неизбежны взаимные помехи, существенно снижающие качество приёма вследствие биения частот радиостанций, работающих в совмещённых каналах. Помехи могут быть существенно ослаблены при использовании взаимного смещения несущих частот таким образом, чтобы составляющие спектра сигнала одной станции располагались в промежутках между спектральными составляющими другой. В этом случае частота биений будет наиболее высокой и соответственно менее заметной на изображении. На практике установлено, что заметность помехи резко снижается, если смещение несущих составляет ±10,45 кГц (кратное 1/3 частоты строчной развёртки). Поддержание такого смещения с высокой степенью точности возможно лишь при очень высокой стабильности несущих частот .
Пиковые мощности современных передатчиков изображения и звука выбираются в соотношении 10:1 . Средние мощности передатчиков при этом оказываются примерно одинаковыми, т.к. при амплитудной модуляции пиковые значения сигнала (на уровне синхроимпульсов) занимают незначительную часть периода строчной развёртки.
Качество изображения на экране телевизора во многом определяется точностью передачи формы сигнала изображения, поэтому линейные искажения сигнала в телевизионном тракте не менее существенны, чем нелинейные. Неравномерность АЧХ и нелинейность фазовой характеристики тракта сказывается на чёткости изображения (снижается крутизна фронтов перепада яркости на контурах изображаемых предметов); появляются повторы контуров в виде светлых и тёмных полос. В телевизионных передатчиках нелинейность фазовой характеристики оценивают величиной времени групповой задержки
Очевидно, что линейной фазовой характеристике будет соответствовать постоянная, не зависимо от частоты, величина Δtгр.
Нелинейные искажения приводят к нарушению передачи градаций яркости, что сказывается на контрастности изображения. Кроме того, перекрёстные искажения на частотах цветовых поднесущих приводит к смешиванию цветов на изображении. В телевизионном передатчике нелинейные искажения оценивают по характеристике мгновенных значений, которая, в отличие от амплитудной характеристики, непосредственно отражает искажения формы сигнала. Эта характеристика представляет собой зависимость мгновенных значений выходного сигнала от мгновенных значений входного. Примером такой характеристики может служить динамическая характеристика коллекторного тока АЭ iк = f(eу). В случае телевизионного тракта это зависимость евых = f(евх)
Количественно нелинейность характеристики мгновенных значений оценивают «дифференциальным коэффициентом передачи», который определяется следующим образом
Этот коэффициент определяют как отношение разности крутизны характеристики в точках, где она максимальна и минимальна, к её максимальному значению, выраженное в процентах.
В телевизионных передатчиках приходится также принимать во внимание и наличие инерционных нелинейностей, к которым относятся ёмкости р-п переходов и катушки индуктивности с ферритовыми сердечниками. В цепях, содержащих такие элементы, фазовый сдвиг зависит от положения точки входного напряжения на характеристике мгновенных значений. Его принято оценивать разностью максимального и минимального фазовых сдвигов на рабочем участке характеристики. Этот параметр получил название «дифференциальная фаза».
Параметры телевизионного тракта, о которых шла речь выше, нормируются соответствующим ГОСТом .
В последние годы всё чаще прибегают к совместному усилению (СУ ) радиосигналов изображения и звука после формирования их в возбудителе. В этом случае отпадает необходимость в сложных разделительных фильтрах и двух самостоятельных усилительных трактах. Как следствие такого построения, повышается надёжность телевизионного передатчика, снижаются массогабаритные показатели, легче решаются проблемы полной автоматизации передатчика. Однако при этом существенно возрастают требования к линейности усилительного тракта, т.к. вследствие перекрёстных искажений, возникают взаимные помехи звукового и видео каналов. Обеспечить допустимый уровень искажений удаётся лишь за счёт снижения эффективности использования усилительного тракта. В предварительных ступенях используется усиление класса «А », а в мощных – «АВ » и существенно недонапряженный режим АЭ .
