Структурные схемы радиопередающих устройств. Разработка структурных схем и алгоритмов функционирования сспи
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Введение
В цифровых системах сигналы передаются в виде различных комбинаций импульсов постоянной амплитуды, отображающих числовое значение сигнала в каждый данный момент времени (кодовыми группами).
Чтобы каждое значение сигнала можно было преобразовать в соответствующую кодовую группу, количество таких значений должно быть ограничено. Поэтому в кодовые группы можно преобразовывать только дискретные во времени сигналы. Для возможности передачи непрерывных по времени сигналов в цифровой форме, т.е. в виде кодовых групп, их необходимо предварительно преобразовать в дискретные.
Передавать дискретизированный сигнал по линии нецелесообразно, т.к. он очень чувствителен к влиянию помех. Поэтому в цифровых системах передачи его преобразуют в цифровую форму. С этой целью сигнал подвергают процессам квантования и кодирования. Далее происходит преобразование цифровых символов в сигналы - модуляция.
В данной курсовой работе необходимо разработать структурную схему системы и функциональную схему приемного или передающего устройства. Определить скорость передачи информации, вид модуляции, тип избыточного кода с использованием заданного варианта и разработать схемные решения устройств, реализующие выбранные параметры.
1. Анализ существующих методов передачи информации в ИТС
1.1 Анализ сообщений различной физической природы
Информационная наука находит применение в самых разнообразных областях. В связи с этим нет всеобщего для всех наук классического определения понятия “информация”. Под информацией понимают не все получаемые сведения, а только те, которые еще не известны и являются новыми для получателя. В этом случае информация является мерой устранения неопределенности. Передача информации на расстояние осуществляется при помощи сообщения.
Сообщение - информация, выраженная в определенной форме и предназначенная для передачи ее от источника к получателю с помощью сигналов различной физической природы. Сообщением могут быть телеграмма, фототелеграмма, речь, телевизионное изображение, данные на выходе ЭВМ и т.д., передаваемые по различным каналам связи, а также сигналы различной физической природы, исходящие от объектов.
Сигнал передаёт сообщение во времени. Следовательно, он всегда является функцией времени, даже если сообщение (например, неподвижное изображение) таковым не является. Если сигнал представляет собой функцию х(t), принимающую только определенные дискретные значения х, то его называют дискретным или дискретным по уровню (амплитуде). Точно так же и сообщение, принимающее только некоторые определенные уровни, называют дискретным. Если же сигнал (или сообщение) может принимать любые уровни в некотором интервале, то они называются непрерывными или аналоговыми.
В настоящее время происходит непрерывное расширение областей применения систем передачи цифровой информации и все большее число различных видов аналоговой информации стремятся передавать в цифровой форме. Это относится к передаче телефонных сообщений, фотоизображений, данных телеметрии и т. п. Таким образом, дискретные сообщения могут быть как первичными, так и вторичными, полученными из непрерывных.
1.2 Передача непрерывных сообщений и виды модуляции
Для передачи информации на расстояние необходимо передать содержащее эту информацию сообщение. Системы передачи информации состоит из следующих основных элементов: источник, кодер, модулятор, канал, демодулятор, декодер и приемник.
Кодер осуществляет отображение генерируемого сообщения в дискретную последовательность. Модулятор и демодулятор в совокупности реализуют операции по преобразованию кодированного сообщения в сигнал и обратные преобразования.
Декодер отображает дискретную последовательность в копию исходного сообщения.
При радиопередаче низкочастотный информационный сигнал передается на несущей радиочастоте и должен ее изменять (модулировать). При модуляции могут изменяться амплитуда, частота или фаза несущей. Модуляцию применяют для того, чтобы:
передать информацию с минимумом искажений;
провести передачу и прием с минимальными потерями;
эффективно использовать частотный спектр.
Существует три основных вида аналоговой модуляции:
1. Амплитудная модуляция (АМ) - модуляция, при которой незатухающие колебания изменяются по амплитуде в соответствии с модулирующими его колебаниями более низкой частоты. AM является наиболее простым и распространенным способом изменения параметров носителя информации, частота и начальная фаза колебания поддерживаются неизменными. Вид амплитудной модуляции представлен на рисунке 1.
Рис. 1. Амплитудная модуляция
2. Частотная модуляция (ЧМ) - модуляция, при которой несущая частота сигнала изменяется в соответствии с модулирующим колебанием. Основными достоинствами частотной модуляции являются: высокая помехоустойчивость, возможность использования статистических свойств многоканального сообщения для повышения помехоустойчивости, возможность простыми средствами обеспечить постоянство остаточного затухания каналов связи. Частотная модуляция показана на рисунке 2.
Рис. 2. Частотная модуляция
3. Фазовая модуляция (ФМ) - изменение фазы несущей пропорционально мгновенным значениям модулирующего сигнала. При ФМ по закону модулирующего колебания uЩ(t) изменяется фаза колебаний:
Ф(t)= щ0t+kфм uЩ(t),
где kфм - коэффициент пропорциональности, численно равный крутизне характеристики фазового модулятора.
При ЧМ и ФМ в процессе модуляции осуществляется воздействие на фазу (фазовый угол) несущего колебания, т.е. эти два вида модуляции являются разновидностями, так называемой угловой модуляции.
1.3 Передача дискретных сообщений и виды манипуляции
Дискретное сообщение, формируемое источником, представляет собой последовательность знаков, выбираемых из определенного набора. Для преобразования последовательности знаков дискретного сообщения в первичный сигнал сначала производится их кодирование, т.е. каждый знак сообщения заменяется комбинацией из небольшого числа стандартных символов, а далее эти стандартные символы преобразуются в стандартные электрические сигналы ui (рис.3).
Знаки Т П С
Кодовые комбинации 00001 01101 10100
Рис. 3. Преобразование сообщений при кодировании
В результате кодирования каждый знак сообщения представляется в виде последовательности символов вторичного алфавита - кодовых комбинаций. Кодирование может производиться вручную или автоматически. Устройство, осуществляющее операцию кодирования автоматически, называется кодером.
Обратная операция, т.е. восстановление знаков сообщения из кодовых комбинаций, называется декодированием, а устройство, выполняющее эту операцию - декодером. Обычно кодер и декодер выполняют также операции преобразования символов в первичный сигнал и первичного сигнала в символы, их часто объединяют в единое устройство - кодек. Процесс преобразования дискретного сообщения в сигнал и обратного преобразования сигнала в сообщение показан на рисунке 4.
Дискретная модуляция является частным случаем модуляции гармонической несущей, когда модулирующий сигнал u(t) дискретный. Таким дискретным модулирующим сигналом обычно является первичный сигнал, отображающий символы кодовых комбинаций дискретных сообщений. Дискретную модуляцию называют еще манипуляцией.
Управляя с помощью первичного сигнала параметрами гармонической несущей, можно получить амплитудную, частотную и фазовую манипуляцию.
На рис. 5 приведены формы сигнала при двоичном коде для различных видов дискретной модуляции. При АМ символу 1 соответствует передача несущего колебания в течение времени T (посылка), символу 0 - отсутствие колебания (пауза). При ЧМ передача несущего колебания с частотой f1 соответствует символу 1, а передача колебания с частотой f0 соответствует 0. При двоичной ФМ меняется фаза несущей на р при каждом переходе от 1 к 0 и от 0 к 1.
Рис. 5. Формы сигналов при двоичном коде для различных видов дискретной модуляции
В системах передачи дискретных сообщений решающая схема состоит их двух частей: демодулятора и декодера.
1.4 Системы передачи информации цифровыми методами
Для преобразования непрерывного сообщения в цифровую форму используются операции дискретизации и квантования. Полученная таким образом последовательность квантованных отчетов кодируется и передается по дискретному каналу как всякое дискретное сообщение. На приемной стороне непрерывное сообщение после декодирования восстанавливается (с той или иной точностью).
Основное техническое преимущество цифровых систем передачи перед непрерывными системами состоит в их высокой помехоустойчивости. Это преимущество наиболее сильно проявляется в системах передачи с многократной ретрансляцией сигналов.
При цифровой системе непрерывных сообщений можно повысить верность применением помехоустойчивого кодирования. Высокая помехоустойчивость цифровых систем передачи позволяет осуществлять практически неограниченную по дальности связь при использовании каналов сравнительно невысокого качества.
Рассмотрим структурную схему цифрового канала передачи непрерывных сообщений (рис. 6).
Рис. 6. Структурная схема системы цифровой передачи
В составе цифрового канала передачи предусмотрены устройства для преобразования непрерывного сообщения в цифровую форму - аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) на передающей стороне и устройства преобразования цифрового сигнала в непрерывную форму - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) на приемной стороне. Полученный на выходе АЦП цифровой сигнал передаётся по дискретному каналу. Дискретный канал содержит кодер, модулятор, линию связи, демодулятор, декодер. На приёмной стороне из принятого цифрового сигнала ЦАП восстанавливает с той или иной точностью непрерывный сигнал.
В устройстве преобразования сообщения в сигнал непрерывное сообщение, поступающее с выхода источника, преобразуется в цифровой сигнал.
Преобразование аналог - цифра состоит из трех операций: сначала непрерывное сообщение подвергается дискретизации по времени через интервалы; полученные отсчеты мгновенных значений квантуются; наконец полученная последовательность квантованных значений передаваемого сообщения представляется посредством кодирования в виде последовательности двоичных символов «0» и «1».
Такое преобразование называется импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). Чаще всего кодирование здесь сводится к записи номера уровня в двоичной форме счисления.
Полученный с выхода АЦП сигнал ИКМ поступает или непосредственно в линию связи, или на вход передатчика. На приемной стороне линии связи последовательность импульсов после демодуляции и регенерации в приемнике поступает на цифро-аналоговый преобразователь ЦАП, назначение которого состоит в обратном преобразовании (восстановлении) непрерывного сообщения по принятой последовательности кодовых комбинаций.
В состав ЦАП входят декодирующее устройство, предназначенное для преобразования кодовых комбинаций в квантовую последовательность отсчетов, и сглаживающий фильтр, восстанавливающий непрерывное сообщение по квантовым значениям.
Преобразование непрерывных сообщений в цифровую форму в системах ИКМ сопровождается округлением мгновенных значений до ближайших разрешенных уровней квантования. Возникающая при этом погрешность представления является неустранимой, но контролируемой (так как не превышает половины шага квантования). Выбрав малых шаг квантования, можно обеспечить эквивалентность по заданному критерию исходного и квантованного сообщений. Погрешность (ошибку) квантования, представляющую собой разность между исходным сообщением и сообщением, восстановленным по квантованным отсчетам, называют шумом квантования.
2. Анализ методов повышения помехоустойчивости систем передачи информации
2.1 Помехоустойчивое кодирование
Любое мешающее внешнее или внутреннее воздействие на сигнал, вызывающее случайные отклонения принятого сигнала от передаваемого, называется помехой. Классифицируют помехи по следующим признакам: по происхождению, по физическим свойствам, по характеру воздействия на сигнал.
По происхождению надо отметить внутренние шумы аппаратуры, входящей в канал связи, - так называемые тепловые шумы.
По физическим свойствам различают флуктуационные и сосредоточенные помехи. Флуктуационные помехи - случайные отклонения физических величин. К сосредоточенным по спектру помехам относятся помехи посторонних радиостанций, генераторов высоких частот различного назначения, переходные помехи от соседних каналов многоканальных систем.
По характеру воздействия на сигнал различают аддитивные и мультипликативные помехи. Аддитивной называется помеха, мгновенные значения которой складываются с мгновенными значениями сигнала. Аддитивные помехи воздействуют на приемное устройство независимо от сигнала и имеют место даже тогда, когда на входе приемника отсутствует сигнал.
В реальных каналах связи обычно имеет место не одна помеха, а их совокупность.
Применение кодов, исправляющих ошибки, или помехоустойчивое кодирование является эффективным средством повышения достоверности передачи информации при сохранении неизменными скорости передачи и энергетических параметров канала связи и снижения отношения сигнал/шум, требуемого для обеспечения заданной достоверности приема информации. Кодирование с обнаружением и исправлением ошибок, как правило, связано с понятием избыточности кода, что приводит в конечном итоге к снижению скорости передачи информационного потока по тракту связи. Избыточность заключается в том, что цифровые сообщения содержат дополнительные символы, обеспечивающие индивидуальность каждого кодового слова.
Вторым свойством, связанным с помехоустойчивым кодированием является усреднение шума. Этот эффект заключается в том, что избыточные символы зависят от нескольких информационных символов. При увеличении количества избыточных символов доля ошибочных символов в блоке стремится к средней частоте ошибок в канале. Обрабатывая символы блоками, а не одного за другим можно добиться снижения общей частоты ошибок и при фиксированной вероятности ошибки блока долю ошибок, которые нужно исправлять. Все известные в настоящее время коды могут быть разделены на две большие группы: блочные и непрерывные. Блочные коды характеризуются тем, что последовательность передаваемых символов разделена на блоки. Операции кодирования и декодирования в каждом блоке производится отдельно. Непрерывные коды характеризуются тем, что первичная последовательность символов, несущих информацию, непрерывно преобразуется по определенному закону в другую последовательность, содержащую избыточное число символов. При этом процессы кодирования и декодирования не требует деления кодовых символов на блоки.
2.2 Системы с обратной связью
Системами передачи дискретной информации с обратной связью (ОС) называют системы, в которых повторение ранее переданной происходит лишь после приема сигнала ОС. Системы с обратной связью делятся на системы с решающей ОС и информационной ОС.
2.2.1 Системы с решающей обратной связью
В приемнике системы правильно принятые комбинации накапливаются в накопителе и, если после приема блока хотя бы одна из комбинаций не будет принята, то формируется сигнал переспроса, единый на весь блок. Повторяется снова весь блок, а в приемнике системы из блока отбираются комбинации, не принятые при первой передаче. Переспросы производятся до тех пор, пока не будет приняты все комбинации блока. После приема всех комбинаций посылается сигнал подтверждения. Получив его, передатчик передает следующий блок комбинаций (системы с адресным переспросом - РОС-АП). Эти системы во многом аналогичны системам с накоплением, но в отличие от последних приемник их формирует и передает сложный сигнал переспроса, в котором указываются условные номера (адреса) не принятых приемником комбинаций блока. В соответствии с этим сигналом, передатчик повторяет не весь блок, как в системе с накоплением, а лишь не принятые комбинации (системы с последовательной передачей кодовых комбинаций - РОС-ПП).
Известны различные варианты построения систем РОС-ПП, основными из которых являются:
Системы с изменением порядка следования комбинаций (РОС-ПП). В этих системах приемник стирает лишь комбинации, по которым решающим устройством принято решение на стирание, и только по этим комбинациям посылает на передатчик сигналы переспроса. Остальные комбинации выдаются в ПИ по мере их поступления.
Системы с восстановлением порядка следования комбинаций (РОС-ПП). От систем РОС-ПП данные системы отличаются лишь тем, что приемник их содержит устройство, восстанавливающее порядок следования комбинаций.
Системы с переменным уплотнением (РОС-ПП). Здесь передатчик поочередно передает комбинации из последовательностей, причем число последних выбирается так, чтобы ко времени передачи комбинаций на передатчике уже был принят сигнал ОС по ранее переданной комбинации этой последовательности.
Системы с блокировкой приемника на время приема комбинаций после обнаружения ошибки и повторением или переносом блока из комбинаций (РОС-ПП).
Системы с контролем заблокированных комбинаций (РОС-ПП). В этих системах после обнаружения ошибки в кодовой комбинации и передачи сигнала переспроса производится контроль на наличие обнаруженных ошибок h -1 комбинаций, следующих за комбинацией с обнаруженной ошибкой.
2.2.2 Системы с информационной обратной связью
Различие в логике работы систем с РОС и ИОС проявляется в скорости передачи. В большинстве случаев передача служебных знаков требуют меньших затрат энергии и времени, чем передача по прямому каналу опознавателей в системе с РОС. Поэтому скорость передачи сообщений в прямом направлении в системе с ИОС больше. Если помехоустойчивость обратного канала выше помехоустойчивости прямого, то достоверность передачи сообщений в системах с ИОС также выше. В случае полной бесшумной информационной обратной связи можно обеспечить безошибочную передачу сообщений по прямому каналу независимо от уровня помех в нем. Для этого надо дополнительно организовать корректировку искажаемых в прямом канале служебных знаков. Такой результат, в принципе, недостижим в системах с РОС распределенного типа. В случае группирующихся ошибок существенную роль играют условия, в которых передаются информационная и контрольная части кодовых комбинаций в обеих системах связи. При использовании ИОС часто имеет место единственная декорреляция ошибок в прямом и обратном каналах.
Важную роль при сравнении передачи сообщений с РОС и ИОС играют также длина используемого кода n и его избыточность s/t. Если избыточность невелика (s/n<0,3), то даже при бесшумном обратном канале ИОС практически не обеспечивает по достоверности преимущества перед РОС. Однако скорость передачи у систем с ИОС по-прежнему выше. Следует указать еще одно преимущество систем с ИОС, обусловленное различием в скорости. Каждому заданному значению эквивалентной вероятности ошибки соответствует оптимальная длина кода, при отклонении от которой скорость передачи в системе с РОС уменьшается. В системах с ИОС при s/n>0,3 передачу сообщений выгоднее вести короткими кодами. При заданной наперед достоверности скорость передачи от этого становится больше. Это выгодно с практической точки зрения, т.к осуществлять кодирование и декодирование при коротких кодах легче. С увеличением избыточности кода преимущество систем с ИОС по достоверности передачи возрастает даже при одинаковых по помехоустойчивости прямом и обратном каналах, особенно если передача сообщений и квитанции в системе с ИОС организована так, что ошибки в них оказываются некорректированными. Энергетический выигрыш в прямом канале системы с ИОС оказывается на порядок выше, чем в системе с РОС. Таким образом, ИОС во всех случаях обеспечивает равную или более высокую помехозащищенность передачи сообщений по прямому каналу, особенно при больших s и бесшумном обратном канале. ИОС наиболее рационально применять в таких системах, где обратный канал по роду своей загрузки может быть без ущерба для других целей использован для эффективной передачи квитирующей информации.
Однако общая сложность реализации систем с ИОС больше, чем систем с РОС. Поэтому системы с РОС нашли более широкое применение. Системы с ИОС применяют в тех случаях, когда обратный канал может быть без ущерба для других целей эффективно использован для передачи квитанций.
3. Расчёт характеристик систем передачи информации
В ходе работы необходимо:
*определить скорость передачи информации;
*выбрать вид модуляции;
*выбрать вариант построения системы передачи информации, обеспечивающий передачу заданного объема информации за сеанс связи при наиболее эффективном использовании каналов связи;
*разработать структурную схему системы;
*разработать функциональную схему приемного или передающего устройства и построить временные характеристики сигналов в различных сечения устройства.
1. Определим необходимую скорость передачи данных по каналу связи при условии, что объем служебной информации за сеанс не превысит 8%. Скорость передачи информации V равна количеству информации, передаваемой по каналу связи за единицу времени [бит/ с]:
где Iп - объем передаваемой информации,
Tсс - время сеанса связи
Полученная скорость передачи информации, равная 2400 бит/с, соответствует ГОСТу 17422-82.
Скорость модуляции B определяется по формуле:
Вычислим количество позиций сигнала. Зная, что, и подставив исходное значение для полосы пропускания, получим:
т.е. имеем четырехпозиционный сигнал. Тогда скорость модуляции равна
2. Рассчитаем полосу пропускания для фильтра
Ширина полосы пропускания фильтра не превышать допустимой полосы 3100 Гц. 1700 Гц? 3100 Гц? можно использовать скорость модуляции B = 1200 Бод.
Для того чтобы моделировать четырехпозиционный сигнал со скоростью передачи информации 2400 бит/с, понадобится использование двойной относительной фазовой манипуляция (ДОФМ).
3. Рассчитаем эффективное значение напряжения помехи при полосе пропускания фильтра?Fпф = 1700 Гц по формуле:
4. Потенциальная помехоустойчивость при использовании метода ДОФМ:
где Ф(q) - Функция Крампа
Вероятность ошибки
q - отношение сигнал/помеха
При скорости модуляции В=1200 Бод вероятность ошибки, получим:
5. Рассчитаем эффективное значение напряжения сигнала по формуле:
Уровни сигнала на входе и выходе канала:
Для того чтобы передающее устройство не вышло из строя, должно выполняться условие:
где: Pсвх - уровень сигнала на входе,
Pmax - максимально допустимый уровень сигнала.
Для каналов тональной частоты Pmax = -13 дБ.
Условие (3.13) выполняется, следовательно, этот тип модуляции может быть использован для построения системы передачи с данными параметрами.
4. Структурная и функциональная схема систем передачи информации
дискретный цифровой помехоустойчивость манипуляция
1. Система передачи сигнала состоит из передающего устройства преобразования сигналов (УПСпер), канала связи и принимающего устройства преобразования сигналов (УПСпр).
Структурная схема системы передачи информации приведена на рисунке 7.
Рис. 7. Структурная схема системы передачи информации
К - кодер,
ФМ - фазовый модулятор сигнала,
Г - генератор,
ПФ - полосовой фильтр,
ОА - ограничитель амплитуды,
ДФ - фазовый демодулятор,
ФНЧ - фильтр нижних частот,
ВУ - выходное устройство,
ДК - декодер.
Сигнал из кодера поступает в модулятор, на выходе которого получается последовательность положительных и отрицательных импульсов, умноженных на синусоидальное несущее колебание, создаваемое генератором импульсов Г.
Преобразователь обеспечивает изменение фазы несущей частоты.
Полосовой фильтр УПСпер служит для ограничения спектра сигнала, передаваемого в канал связи.
Полосовой фильтр УПСпр предназначен для уменьшения помех, приходящих из канала связи. Ограничение амплитуды ОА позволяет, во-первых, почти полностью устранить влияние изменений амплитуды сигнала в канале связи на длительность принимаемых сигналов и, во-вторых, значительно уменьшить искажения элементов сигнала в результате нестационарных процессов. Кроме того, ОА уменьшает действие импульсных помех. Демодулятор превращает сигнал в импульсы постоянного тока. Фильтр нижних частот ФНЧ подавляет в выпрямленном сигнале высшие гармоники и остатки несущей. Выходное устройство ВУ обеспечивает форму и амплитуду сигналов на выходе, необходимую для нормального функционирования приемника информации ПИ.
2. Рассмотрим принцип работы системы передачи при ДОФМ.
На рис. 8. приведена функциональная схема системы передачи информации.
Рис. 8. Функциональная схема системы передачи информации.
Правило кодирования при ДОФМ иллюстрирует таблица 1 (Рекомендация V.26 МККТТ).
Таблица. 1. Правило кодирования при ДОФМ.
Из приведенного следует, что модемы ДОФМ реализуют кодирование при m = 4.
При ДОФМ для передачи информации по первому двоичному каналу используются, например, фазовые сдвиги р/2 и Зр/2, а по второму двоичному каналу 0 и р, что иллюстрируется векторными диаграммами (рисунок 9). Сплошными линиями показаны фазовые положения векторов отдельных каналов, а пунктиром -- фазовые положения векторов при совместной работе двух каналов. Таким образом, любой комбинации единичных элементов в каждом из двоичных каналов соответствует определенный сдвиг по фазе.
Рис. 9. Векторные диаграммы сигналов ДОФМ.
Поступающая на передатчик последовательность импульсов разбивается на пары бит, называемые «дибит». Возможны четыре различных дебита: 00, 01, 10 и 11. Фазовый модулятор использует импульсный принцип, т. е. фаза изменяется путём добавления импульсов в процессе деления частоты. При этом требуемый фазовый скачок получается как сумма трёх меньших скачков.
Демодулятор ДОФМ устроен так, что при сдвиге фаз между предыдущим и последующим единичными элементами на 45° на выходах обоих каналов получаются нули, при? =225° -- единицы, при? =135° на выходе первого канала -- ноль, второго -- единица и при? =315° на выходе первого канала -- единица, а второго -- ноль. При ДОФМ на той же скорости модуляции, что и при ОФМ, обеспечивается вдвое большая эффективная скорость передачи, поскольку каждое фазовое состояние соответствует не одному биту информации (как при ОФМ), а двум битам (по одному в каждом канале).
Заключение
В ходе выполнения курсового проекта мной были изучены виды модуляции, выявлены достоинства и недостатки каждого из них.
В результате выполнения данного курсового проекта было спроектировано устройство преобразования сигналов, основной задачей которого является передача сигналов данных по каналу связи с требуемой скоростью V и вероятностью ошибки P0.
Для его проектирования были рассчитаны параметры системы связи. При данной скорости модуляции была выбрана ДОФМ, как наиболее оптимальный режим работы, обеспечивающий заданную помехоустойчивость на определенной частоте.
Для выбранного типа системы разработана структурная и функциональная схемы.
Список литературы
1.Белов С.П. Методические рекомендации по выполнению курсовых проектов (работ) по дисциплине "Теория электрической связи" для студентов специальности 210406 "Сети связи и системы коммутации"/С.П. Белов, Е.И. Прохоренко. - Белгород:, 2005. - 32с.
2.Гаранин М.В., Журавлев В.И., Кунегин С.В. Системы и сети передачи информации. - М.: "Радио и связь", 2001. - 366с.
3.Дж. Дэвис, Дж. Карр. Карманный справочник радиоинженера/ Пер. с англ. - М.: «Додэка-XXI», 2002. - 544 с.
4.Кловский Д.Д. Теория электрической связи. - М.: «Радио и связь»,1999. - 433с.
5.С.И. Баскаков. Радиотехнические цепи и сигналы, 2-е издание. - М.: Высшая школа, 2005. - 462с.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Методы кодирования сообщения с целью сокращения объема алфавита символов и достижения повышения скорости передачи информации. Структурная схема системы связи для передачи дискретных сообщений. Расчет согласованного фильтра для приема элементарной посылки.
курсовая работа , добавлен 03.05.2015
Статистический анализ искажений. Выбор способа повышения верности передачи заданного сообщения. Составление структуры пакета передаваемых данных для заданного протокола. Составление функциональных схемы передающего и приемного оконечных устройств.
курсовая работа , добавлен 09.07.2012
Разработка структурных схем передающего и приемного устройств многоканальной системы передачи информации с ИКМ; расчет основных временных и частотных параметров. Проект амплитудно-импульсного модулятора для преобразования аналогового сигнала в АИМ-сигнал.
курсовая работа , добавлен 20.07.2014
Функции основных блоков структурной схемы системы передачи дискретных сообщений. Определение скорости передачи информации по разным каналам. Принципы действия устройств синхронизации, особенности кодирования. Классификация систем с обратной связью.
курсовая работа , добавлен 13.02.2012
Формы представления информации, ее количественная оценка. Сущность и первичное кодирование дискретных сообщений. Совокупность технических средств, предназначенных для передачи информации. Система преобразования сообщения в сигнал на передаче и приеме.
реферат , добавлен 28.10.2011
Способы передачи дискретных сигналов и телеграфирования в соответствии с исходными данными. Преобразование исходной кодовой комбинации с целью повышения достоверности передачи. Устройство защиты от ошибок, асинхронная передача и дискретный сигнал.
контрольная работа , добавлен 26.02.2012
Проектирование радиоэлектронной системы передачи непрерывных сообщений по цифровым каналам. Расчет и выбор параметров преобразования сообщения в цифровую форму, радиолинии передачи информации с объекта. Описание структурной схемы центральной станции.
курсовая работа , добавлен 07.07.2009
Методы цифровой обработки сигналов в радиотехнике. Информационные характеристики системы передачи дискретных сообщений. Выбор длительности и количества элементарных сигналов для формирования выходного сигнала. Разработка структурной схемы приемника.
курсовая работа , добавлен 10.08.2009
Проектирование радиоэлектронной системы передачи непрерывных сообщений с подвижного объекта по радиоканалу на пункт сбора информации. Расчет параметров преобразования сообщений и функциональных устройств. Частотный план системы и протоколы ее работы.
курсовая работа , добавлен 07.07.2009
Исследование сущности и функций системы передачи дискретных сообщений. Расчет необходимой скорости и оценка достоверности их передачи. Выбор помехоустойчивого кода. Определение порождающего полинома. Оптимизация структуры резерва дискретных сообщений.
Структурная схема передающего устройства определяется назначением РЭС, видом излучаемых сигналов, диапазоном рабочих частот.
По принципу построения передатчики (ПРД) подразделяются на ПРД с одним генератором высокой частоты и ПРД с двумя и более генераторами. Выходным устройством ПРД с одним генератором может быть сам ГВЧ или усилитель мощности. Нагрузкой выходного устройства ПРД является антенна.
В простейшем передатчике - с одним мощным генератором высокой частоты (рис. 1) генерирование колебаний несущей частоты f 0 , их модуляция и усиление полученных сигналов осуществляется в одном каскаде - генераторе колебаний высокой частоты (ГВЧ).
Рис. 1. Структурная схема передатчика с мощным генератором
самовозбуждения
Достоинством ПРД с выходным ГВЧ является его простота, возможность осуществления АМ и ЧМ. К недостаткам можно отнести: необходимость существенного усложнения ГВЧ для генерирования ФМ-колебаний; существенное воздействие на работу ГВЧ со стороны модулятора и антенны и их влияние на режим работы автогенератора.
Вследствие этого стабильность частоты генерируемого сигнала оказывается сравнительно низкой (относительная нестабильность =) Низкая стабильность частоты генерируемого сигнала не позволяет использовать такие ПРД тогда, когда необходимо выделять информацию, заключенную в значениях частоты и фазы радиосигналов (с ЧМ и ФМ). Кроме того, низкая стабильность частоты сигнала, излучаемого антенной ПРД, затрудняет его прием и обработку на других объектах.
Поэтому такого типа ПРД нашли широкое применение для генерирования некогерентной последовательности радиосигналов, у которых частота и фаза изменяются случайно от импульса к импульсу.
Меньшую нестабильность несущей частоты (=) имеют передатчики, выполненные по схеме, изображенной на рисунке 2.
Рис. 2. Структурная схема передатчика с задающим генератором
Здесь управление параметрами несущего колебания, генерируемого задающим генератором (ЗГ ), и усиление полученных сигналов осуществляется в выходном каскаде усилителя мощности (УМ ). Однако такой подход используется только при АМ, так как ЧМ в усилителе в принципе не возможна (усилитель является линейным устройством, которое не изменяет частоту входного сигнала). К тому же УМ обычно является многокаскадным, состоящим из предварительного УВЧ и выходного УМ. И, как правило, модулирующий сигнал подается только на предварительный УВЧ и очень редко на выходной УМ.
Для уменьшения d f используются промежуточные (буферные) каскады, устанавливаемые между ЗГ и УМ .
Повышенные требования к d f приводят к необходимости построения передатчиков с использованием сложных многокаскадных схем. При этом ЗГ работает на частотах, отличных от f 0 . Если эти частоты ниже f 0 , то между ЗГ и УМ включают каскады умножителей частоты (рис. 3).
Для стабилизации частоты ЗГ
часто применяют кварцевые резонаторы, позволяющие снизить d f
до 
. При термостатировании кварцевых резонаторов может быть обеспечена нестабильность d f =
.
Рис. 3. Структурная схема передатчика с умножителем частоты
Генерирование гармонических колебаний осуществляется в ЗГ (автогенераторах), работающих в режиме самовозбуждения. Принцип действия автогенераторов основан на преобразовании энергии постоянного тока в энергию переменного (синусоидального) тока радиочастоты. Автогенератор представляет собой усилитель с цепью положительной обратной связи. Для существования в автогенераторе незатухающих колебаний необходимо выполнить баланс фаз и баланс амплитуд. В частном случае это означает, что напряжение обратной связи на входе усилителя должно быть противофазным по отношению к напряжению выходного сигнала и достаточным, чтобы компенсировать затухание энергии в колебательной системе. При соблюдении этих условий колебания обычно возникают самопроизвольно из-за шумового напряжения, причем частота генерируемых колебаний определяется параметрами колебательной системы и приближенно равна резонансной частоте контура.
В усилителях мощности нагрузкой является колебательный контур, настроенный на частоту усиливаемых колебаний. Для получения большой выходной мощности выходной каскад работает в нелинейном режиме.
Умножители частоты также работают в нелинейном режиме. Нагрузкой этих каскадов является колебательный контур, настроенный на частоту выбранной гармонической составляющей тока. При этом другие гармоники тока, включая и первую, подавляются.
Только передатчики простейших РТС строят как однокаскадные, в виде мощного автогенератора, работающего непосредственно на антенно-волноводную (антенно-фидерную) систему. Такими являются передатчики метеонавигационных самолетных и навигационных судовых радиолокаторов (рисунок 1).
Рисунок 1. - Функциональная структурная схема однокаскадного
передатчика:
АГ - генератор электрических колебаний радиочастоты,
М - модуляционное устройство,
В - устройство питания,
0 - система охлаждения,
Ау - автоматическое управление
Большинство современных передатчиков, строятся по многокаскадной схеме. Структурная схема такого радиопередатчика показана на рисунке 2.
Рисунок 2. - Структурная схема многокаскадного передатчика
Источником колебаний радиочастоты является задающий генератор АГ (генератор с самовозбуждением или автогенератор), который должен обеспечить получение нужной частоты с заданной допустимой нестабильностью частоты для указанных внешних условий. Генератор с высокой стабильностью частоты обычно имеет малую мощность Р АГ =0,001... 0,01 Вт. Для получения заданной мощности на выходе передатчика колебания автогенератора приходится усиливать.
Число усилителей мощности радиочастоты (УМ) определяется требуемым коэффициентом усиления, усилительной способностью и выходной мощностью каждой ступени. В качестве активного усилительного элемента УМ используют электронные лампы и полупроводниковые приборы (транзисторы, тиристоры), пролетные многорезонаторные клистроны, амплитроны, лампы бегущей волны и др.
Применение многокаскадной структурной схемы - основной путь получения высокой стабильности частоты мощного передатчика. Поскольку основные каскады, включая самые мощные, являются усилителями, энергетические и многие качественные показатели передатчика (полезная мощность, промышленный КПД и т.д.) определяются параметрами каскадов усиления.
Последний, самый мощный, каскад усиления УМ n определяет выходную полезную мощность, а следовательно, и промышленный КПД передатчика. Этот каскад называют выходным или оконечным; УМ 2 , УМ 3 и т.д. считают промежуточными (предварительными), а УМ n-1 - предоконечным каскадом усиления.
Для получения высокого КПД большинство ГВВ работают со сложной периодической формой тока в выходной цепи, отличающейся от гармонической. Следовательно, спектр тока выходной цепи содержит как основную составляющую рабочей частоты f н, так и гармонические составляющие частоты 2f н, 3f н, 4f н, кроме этих составляющих в составе спектра тока могут быть и всевозможные комбинационные составляющие. Для того чтобы гармоники рабочей частоты и иные побочные составляющие не попали в антенну и не мешали работе других радиолиний (чтобы уровень этих составляющих не превышал допустимого), на выходе передатчика устанавливают выходную фильтрующую (колебательную) систему (ФС), т.е. фильтр, пропускающий рабочие и ослабляющий неосновные составляющие спектра выходного тока электронного или полупроводникового прибора.
Необходимость в сложной, громоздкой и дорогой многоконтурной системе на выходе передатчика обусловлена использованием негармонической формы тока для получения высокого КПД.
В передатчиках СВЧ и более ВЧ диапазонов для обеспечения заданной (допустимой) нестабильности частоты можно применять автогенератор, работающий на частоте, в несколько раз меньшей номинальной частоты передатчика. При этом в состав тракта усиления мощности следует включать умножители частоты (на рисунке 2 не показаны), способствующие также уменьшению влияния нагрузки передатчика и его мощных каскадов на работу автогенератора. Однако основным в ослаблении этого влияния является первый каскад усиления, называемый буферным.
Передаваемое сообщение, например сигнал звуковой частоты?, усиливается в модуляционном устройстве, которое также имеет несколько каскадов усиления. Сигнал с последнего каскада модуляционного устройства подается на один из каскадов радиочастоты (указано штриховой), где происходит модуляция (амплитудная, частотная, импульсная, однополосная или др.). Последний каскад называют модулятором, а предшествующий - подмодулятором.
Кроме того, в состав мощного передатчика входит несколько выпрямителей, образующих систему питания, система охлаждения, система управления, блокировки и сигнализации, обеспечивающая установленный порядок включения и выключения передатчика, безопасность обращения с ним для обслуживающего персонала и сигнализирующая о неисправном состоянии передатчика.
Угловая модуляция может быть получена прямым способом, когда модулируется непосредственно частота автогенератора передатчика, или косвенным, когда в промежуточном каскаде передатчика производится фазовая модуляция. Структурные схемы передатчиков с этими способами модуляции приведены на рисунках 3 и 4.
Рисунок 3. - Структурная схема передатчика с прямой ЧМ
Рисунок 4. - Структурная схема передатчика с косвенной ЧМ
Другими словами, прямую частотную модуляцию осуществляют: в полупроводниковых генераторах путем изменения параметров колебательного контура с помощью варикапов, варикондов, реактивного транзистора, нелинейной индуктивности (на частотах от нескольких мегагерц до десятков гигагерц); в диодных генераторах (на туннельном диоде, диоде Ганна) путём изменения напряжения смещения на диоде; в транзисторных RC-генераторах путём изменения режима работы транзистора (тока коллектора, напряжения смещения на переходе эмиттер-база).
В системах косвенного получения частотной модуляции используются фазовые модуляторы (ФМ).
Известны четыре наиболее распространённые структурные схемы передатчиков с ФМ:
· с ФМ на выходе передатчика;
· с ФМ в предоконечных каскадах с последующим усилением мощности сигнала ФМК;
· с ФМ в начальных каскадах с последующим умножением частоты и усилением мощности сигнала ФМК;
· с ФМ на поднесущей частоте с последующим транспонированием и усилением ФМ сигнала.
Те и другие способы получения ЧМ имеют свои недостатки и достоинства. Достоинство прямого метода - возможность получения глубокой и достаточно линейной частотной модуляции, недостаток - трудность обеспечения стабильности средней частоты колебания с ЧМ. Достоинство косвенного способа - высокая стабильность средней частоты, недостатки - неглубокая модуляция, трудность передачи низких модулирующих частот.
Возможность получения глубокой и линейной ЧМ делает предпочтительным прямой способ в радиовещательных передатчиках и передатчиках НРС. При этом для повышения стабильности средней частоты используют систему автоматической подстройки частоты (АПЧ) по высокостабильному кварцевому эталону. Структурная схема такого передатчика приведена на рисунке 5.
Рисунок 5. ? Структурная схема ЧМ передатчика с эталонным
генератором
Для построения передатчика НРС (согласно техническому заданию) воспользуемся подобной схемой, но уточним состав и количество входящих в неё блоков.
Так как обычно в передатчиках НРС возбудитель не предусматривают, то НЧ сигнал подается сразу на ГУН. Но для увеличения стабильности по частоте в качестве эталонного генератора в передатчике с ЧМ можно использовать кварцевый автогенератор. На варикап VD1 подается модулирующее напряжение U, на варикап VD2 - управляющее напряжение системы фазовой автоподстройки частоты. Разделение функций управления объясняется тем, что девиация частоты под влиянием модулирующего сигнала относительно невелика в сравнении с диапазоном подстройки ведомого генератора.
Умножители частоты включают в структуру передатчика для повышения устойчивости, но при этом из-за нелинейностей их АЧХ увеличиваются нелинейные искажения ЧМК в «n» раз, соответственно, где n - коэффициент умножения частоты.
В нашем случае, источником сигнала U является микрофон с последующим усилителем звуковой частоты (УЗЧ) Управление ГУН в этом случае также производится через два варикапа, на один из которых подаётся модулирующее напряжение U с выхода УЗЧ, а на другой варикап - управляющее напряжение системы ФАПЧ. Девиация частоты под действием модулирующего сигнала на выходе передатчика равна 20 кГц. Индекс модуляции:
где f - девиация частоты на выходе ГУН (или передатчика, в зависимости от того хотим ли мы получить индекс модуляции на входе или на выходе передатчика соответственно), а F в - верхняя частота спектра речевого сигнала т.е. F в = 3,4 кГц.
На выходе ГУН, как было сказано выше, сигнал имеет небольшую девиацию частоты 3 кГц и соответственно небольшой коэффициент модуляции:
а по техническому заданию передатчик должен обеспечить девиацию частоты как минимум f = 20 кГц.
Поделив полученный индекс модуляции на выходе передатчика на индекс модуляции на входе передатчика (выходе ГУН) можно определить во сколько раз необходимо произвести умножение частоты сигнала на входе передатчика для получения требуемой девиации частоты в 20 кГц сигнала на выходе передатчика:
С учетом того, что необходимо минимизировать число каскадов, а стандартный максимальный коэффициент умножения частоты одного каскада n = 4, то в нашем случае, число каскадов умножителей частоты получается k = 3, а коэффициент умножения частоты каждого каскада n = 2. При этом девиация частоты на выходе передатчика получится f = 3400 2 2 2 27,2 кГц. Мощность на выходе ГУН порядка 50 мВт. Выходная колебательная мощность нашего ЧМ передатчика по техническому заданию должна быть 10 Вт, следовательно, входной сигнал передатчика необходимо по мощности усилить в 200 раз. Оконечный же мощный каскад передатчика в соответствии с расчётами, (раздел 2. РАСЧЁТ ОКОНЕЧНОГО КАСКАДА) может обеспечить коэффициент усиления по мощности порядка К р 32. Умножив на КПД согласующей цепи (примерно 0,8) получим К рпол 25. Значит, необходимо обеспечить коэффициент усиления по мощности как минимум ещё в 8 раз, перед оконечным каскадом будут стоять еще 3 умножителя напряжения с коэффициентами усиления по мощности (с учетом потерь в согласующих цепях) порядка К р 2. После выше изложенных рассуждений, проводимых с целью обозначить необходимые составные части и объяснить назначение этих частей в структурной схеме, предлагается структурная схема передатчика НРС с ЧМ, вид которой показан на рисунке 6:
Рисунок 6. ? Структурная схема проектируемого ЧМ передатчика
Таким образом, структурная схема нашего ЧМ передатчика вместе с блоками уже имеющимися в схеме на рисунке 5 в своём составе дополнительно содержит:
· Микрофон, который обеспечивает преобразование речевого сообщения в электрический входной сигнал передатчика;
· Усилитель звуковой частоты, который обеспечивает усиление амплитуды сигнала поступающего с микрофона на управляющий варикап;
· Буферный каскад, необходимый для защиты ГУН, генератора частоты и системы ФАПЧ от влияния на них последующих каскадов;
· 3 умножителя частоты с коэффициентами умножения частоты n = 2, необходимые для обеспечения требуемой девиации частоты на выходе передатчика;
· усилитель мощности;
· цепь согласования, обеспечивающую согласование выходного сопротивления оконечного каскада передатчика с входным сопротивлением фидера 75 Ом на заданной частоте.
Обобщённая структурная схема радиопередатчика. Классификация радиопередатчиков
Определяющей функцией радиопередающего устройства является создание электромагнитных колебаний, подвергнутых модуляции (манипуляции). Так, при ручной телеграфной радиосвязи электромагнитные колебания должны изменяться согласно нажатию и. ключа (или клавиш датчика пода Морзе), при телефонной радиосвязи ‒ в соответствии с колебаниями, создаваемыми микрофоном, и для буквопечатающей радиосвязи ‒ в соответствии с работой передающего телеграфного аппарата.
Радиопередающее устройство включает: преобразователь сообщения в первичный электрический сигнал (передающую часть оконечной аппаратуры), радиопередатчик и антенно-фидерную систему.
Передающая часть оконечной аппаратуры преобразует сообщение в первичный электрический сигнал. Эти устройства (микрофон, телефонный аппарат, телеграфный ключ, телеграфный аппарат и т.д.).
Антенно-фидерная система обеспечивает передачу сформированных в радиопередатчике сигналов в антенну, а последняя излучает эти сигналы в окружающее пространство. Антенны излучают электромагнитную энергию достаточно эффективно только в том случае, если размеры излучающей части антенны соизмеримы с длиной волны излучаемого колебания. Создать антенны, размеры которых превышали бы несколько сотен метров» с одной стороны, трудно, а для мобильных радиостанций и нецелесообразно. Поэтому для мобильных радиостанций широкое применение находят антенны с размерами, не превышающими сотен метров (чаще десятки и единицы метров). Для таких антенн частоты возбуждаемых колебаний обычно превышают сотки килогерц. Поскольку первичные электрические сигналы С (t ) обычно занимают сравнительно узкую полосу частот, примыкающую к началу частотной оси, то высокочастотные колебания, возбуждающие антенну, используются в качестве переносчика сообщения .
С этой целью один или несколько параметров высокочастотного, несущего колебания необходимо изменять по закону сигнала С (t ). Этот процесс осуществляется при помощи специальных устройств ‒ модуляторов . Итак, несущее высокочастотное колебание должно отражать свойства передаваемого сообщения и с помощью антенны преобразовываться в электромагнитные волны, распространяющиеся в окружающей среде.
Следовательно, в каждой радиопередатчике, независимо от вида передаваемых сообщений, обязательно должно осуществляться три физических процесса, составляющих основу его работы:
Создание (генерирование) колебаний несущей радиочастоты гармонического характера;
Управление (модуляция) несущими колебаниями для изменения их параметров по закону первичного электрического сигнала С(t ) ;
Усиление полученные в процессе модуляции высокочастотных колебаний и преобразование их в электромагнитные волны (радиоволны).
Реальная структура схемы передатчика определяется его целевым назначением и предъявленными к нему требованиями. Последние формулируются на основании требований к радиостанции в целом. Обобщённая структурная схема передатчика включает следующие основные элементы (рис. 1).
Рис. 1 Обобщенная структурная схема передатчика
Возбудитель является источником несущих колебаний. В нём же осуществляется процесс модуляции, т.е. формируются все виды сигналов кроме импульсных и амплитудно-модулированных.
Импульсные и амплитудно-модулированные сигналы обычно формируются в выходных каскадах. В современных военных передатчиках амплитудно-модулированные сигналы вообще не формируются, вместо ниx формируются однополосные сигналы с неподавленной несущей.
С целью частичной компенсации остаточного затухания на трассе радиосвязи колебания возбудителя обычно усиливаются до получения требуемой мощности, подводимой к передающей антенне. Эта функция передатчика реализуется в тракте усиления . В этом тракте особое внимание уделяется последнему каскаду, который обеспечивает заданную величину выходной мощности передатчики. Все каскады, включённые между возбудителем и выходным каскадом, называются каскадами предварительного усиления.
Наилучшие условия для передачи выходной мощности от оконечного каскада в антенну создаются благодаря включению в схему так называемого устройства согласования (согласующего антенного устройства). Необходимость этого устройства диктуется недостаточной приспособленностью электрических параметров антенны, главным образом — её входного сопротивления, к электрической схеме выходного каскада.
Заданная мощность радиосигналов в передатчиках обеспечивается за счёт энергии источников электропитания, первичного и вторичного.
В зависимости от целевого предназначения все радиопередающие устройства классифицируются на вещательные, связные, радиолокационные и др. Классификация связных передатчиков приведена на рис.2. Приведенная классификация ‒ не исчерпывающая, поскольку не охватывает все отличительные признаки передатчиков (радиостанций).
Рис. 2 Классификация связных передатчиков
Требования, предъявляемые к радиопередатчикам
Для успешной разработки любого радиопередающего устройства необходимо правильно обосновать и строго сформулировать технические требования к нему. Если требования сформулированы неполно, то разработанное устройство не будет исчерпывающе отвечать своему предназначению. И наоборот, излишне жёсткие требования приводят к нежелательным дополнительный затруднениям при разработке, удлиняют сроки разработки, делают устройство трудоёмким в производстве и регулировке, менее надёжным в эксплуатации и т.д.
Все предъявляемые требования можно разделить на две группы: требования к электрическим характеристикам и требования общего характера.
Рассмотрим вначале некоторые требования к электрическим характеристикам.
1. Мощность
Наиболее важным параметром передатчика, определяющим дальность действия и надёжность радиосвязи, является выходная мощность передатчика. Именно поэтому названная характеристика включается в характеристику радиостанции в целом. Необходимая величина мощности передатчика определяется из энергетического расчёта линии радиосвязи с учётом её затухания, чувствительности радиоприёмника, класса излучений и условий приёма, в частности, помеховой обстановки, возможностей применения тех или иных антенн и направленных свойств применяемых антенн.
В отдельных случаях под мощностью передатчика понимается наибольшая колебательная мощность, получаемая от лампы (транзистора) выходного каскада. В последнем случае эта мощность может не совпадать с подводимой к антенне мощностью, например, из-за потерь в согласующем устройстве.
По величине мощности передатчики классифицируются согласно табл. 1.
Таблица 1
| Классификация | Мощности передатчиков | |
| связных, мобильных | вещательных, стационарных | |
| Малой 1 группамощности | Р ≤ 1Вт | |
| 1 Вт < Р≤ 10 Вт | ||
| 10 Вт<Р≤100 Вт | ||
| Средней мощности | 100 Вт<Р≤ 1 кВт | 100 Вт < Р ≤ 10 кВт |
| Мощные | – | 10 кВт < Р ≤ 1000 кВт |
| Большой мощности | Р >1 кВт | – |
| Сверхмощные | – | Р > 1000 кВт |
2. Диапазон рабочих частот
Диапазон рабочих частот f мин. — f макс. , выделяемых для передатчика, определяется условиями организации радиосвязи, её дальностью, реальной занятостью некоторых участков радиочастотного спектра специальными службами (вещанием, телевидением, радионавигацией и пр.), эффективностью антенных устройств и их габаритами, шириной полосы частот радиосигнала, требуемым количеством рабочих частот и т.д.
Требование перекрытия широкого диапазона частот существенно усложняет конструкцию передатчика. Несмотря на это в последние годы наметилась тенденция построения широкодиапазонных радиопередатчиков декаметрового и метрового диапазонов с коэффициентом перекрытия по частоте:
Значение этого коэффициента должно быть до 20 и более.
Величина К f
в зависимости от целевого предназначения передатчика может быть и небольшой, порядка 1,1-2, например, для радиорелейных, тропосферных и спутниковых передатчиков, портативных радиостанций. Возможны передатчики всего на несколько частот. Весь интервал f
мин.
—
f
макс
может перекрываться плавно, при этом передатчик может быть настроен на любую (даже пробную) частоту или дискретно с шагом дискретности
Δf
с. В последнем случае частоты фиксированы. Количество фиксированных частот
определяется выражением:
Величина Δf
с
может быть 10, 5, 2, I, иногда 0,1 и даже 0,01 кГц в декаметровом диапазоне частот. В метровом диапазоне возможный набор величин Δf
с
состоит из 200, 100, 75, 50, 25, 1 кГц. В дециметровом и сантиметровом диапазонах величина Δf
с
может достигать единиц мегагерц.
3. Стабильность частоты
Хотя в настоящее время точное число работающих на земном шаре передатчиков (включая военные) неизвестно, ориентировочное количество их исчисляется миллионами. В связи с ограниченностью радиочастотных диапазонов каждая радиостанция должна излучать спектр минимально необходимой ширины, определяемой характером передаваемого сообщения. Кроме того, для уменьшения взаимных помех следует поддерживать выделенную рабочую частоту излучаемых колебаний с высокой степенью точности и постоянством.
Нестабильность частоты выходных колебаний передатчика полностью определяется нестабильностью частоты возбудителя.
Высокая стабильность частоты излучаемых колебаний диктуется также требованиями беспоискового вхождения в связь и бесподстроечного ведения связи. Наиболее жёсткие требования по стабильности частоты предъявляются к однополосным передатчикам и передатчикам с возможностью многоканальной работы. Наиболее сложно решаются задачи стабилизации частоты в передатчиках с большой величиной K f . и на высоких частотах.
Отклонение частоты колебаний на выходе радиопередатчика f H за определённый промежуток времени относительно установленной частоты (номинального значения f ном. ) называется абсолютной нестабильностью частоты радиопередатчика:
Δf =f н –f ном.
Поскольку радиостанции работают на самых различных частотах, то требования к стабильности частоты выражают в относительных единицах:
Эту величину называют относительной нестабильностью частоты.
Реализация требований по стабильности частоты усложняется по мере того, как эти требования становятся все более строгими. В связи с этим они представляют собой компромисс между желаемым и реализуемым на данном этапе развития техники или экономически оправданным. Эти требования всегда конкретизируются применительно к определённым категориям радиостанций. Они всегда более жёсткие для казенных стационарных устройств и ослабляются при переходе к массовой аппаратуре, к подвижным радиостанциям, работающим в тяжёлых условиях эксплуатации.
Высокие требования, предъявляемый к стабильности частоты передатчиков, определяются необходимостью обеспечения беспоисковой и бесподстроечной связи. При этом упрощаются действия оператора по управлению радиостанцией, а весь спектр полезного излучаемого колебания должен полностью попасть в полосу пропускания основной избирательности приёмника корреспондента.
Рис. 3 Обеспечение необходимой полосы пропускания приемника
В свою очередь необходимую полосу пропускания приемника корреспондента стремятся сделать как можно уже с целью уменьшения уровня шумов и помех при радиоприёме. Минимальная ширина полосы пропускания приёмника не может быть меньше величины:
ΔF сигн. +Δf п ep . ,
где ΔF сигн. ‒ занимаемая радиосигналом полоса частот;
Δf п ep . ‒ максимально возможное отклонение частоты радиопередатчика, связанное с её неточностью.
Полосу ΔF сигн. можно считать полезно используемой полосой, внутри которой содержится основная часть мощности передатчика (часто 98…99%). Величина Δf п ep . (рис.2.3) представляет собой бесполезное расширение полосы частот приемника, за счёт которой возрастает уровень, помех. Следовательно, уменьшение Δf п ep . эквивалентно выигрышу по мощности передатчика. Этот выигрыш тем больше, чем ярче выражено неравенство ΔF сигн. >>Δf п ep . Это условие показывает, что требования к стабильности частоты повышаются при применении узкополосных видов радиосигналов, когда ΔF сигн. ‒ мала, и понижаются при использовании широкополосных видов передачи.
Кроме этого, повышенные требования к стабильности частоты иногда связывают с другими факторами, например, искажениями принятой информации за счёт асинхронизма несущего колебания при однополосной радиопередаче.
Поэтому главнейшим требованием к задающему генератору (возбудителю) является высокая точность и постоянство частоты генерируемых колебаний.
4. Коэффициент полезного действия (КПД)
КПД передатчика определяется как отношение выходной мощности передатчика Р
А ко всей потребляемой передатчиком мощности Р
потр. :
Этa величина, в зависимости от мощности передатчика и его сложности (а также элементной базы), может изменяться от единиц процентов до нескольких десятков процентов. Так, для 200-ваттных передатчиков η
=20-30%, для 30-50-киловаттных передатчиков декаметрового диапазона η
=40-50%.
На рис.4 показано примерное распределение всей потребляемой мощности Р потр
Рис.4 Примерное распределение всей потребляемой мощности Р потр
Величины Р А и η заметно влияют на мощность (или емкость) первичных источников электропитания. В этом отношении особенно актуально повышение КПД передатчиков портативных и носимых радиостанций, поскольку энергоёмкость источников питания жёстко ограничена массой и габаритами радиостанций. Повышение КПД важно в любом передатчике еще потому, что при заданной потребляемой мощности уменьшаются потери внутри передатчика в виде тепла. В связи этим облегчается тепловой режим (что особенно важно для транзисторных передатчиков), упрощается система охлаждения, что позволяет уменьшить габариты и массу передатчика и благоприятно сказывается на улучшении эксплуатационных характеристик.
5. Неосновные излучения
При ведении радиосвязи на выходе радиопередающего устройства должны иметь место только основные излучения , т.е. излучения в необходимой полосе частот.
Необходимая полоса частот ‒ это минимальная полоса частот сигнала, достаточная при данном классе излучения для передачи сообщения в системе с требуемой скоростью и качеством.
К сожалению, в силу несовершенства радиопередатчика, последний является источником неосновные излучений , спектр которых находится за пределами необходимой полосы частот. Следовательно, на частотах этих излучений передатчик будет выступать источником помех. В условиях прогрессирующего роста количества одновременно работающих радиоэлектронных средств различного назначения вполне естественной выглядит потребность борьбы с неосновными излучениями, в частности, путём нормирования уровня этих излучений.
Все неосновные излучения условно разделяются на побочные и внеполосные (рис.5).
Внеполосные излучения передатчика ‒ это класс неосновных излучений в полосах частот, примыкающих к необходимой полосе излучения, возникающих в процессе модуляции шумами или первичным сигналом.
Рис.5 Неосновные излучения
Побочные излучения обусловлены нелинейными процессами, возникающими при протекании высокочастотных токов через нелинейные элементы электрической схемы передатчика. Как правило, их возникновение не связано с процессом модуляции.
В силу специфики возникновения побочных излучений они разделяются на:
Излучения на гармониках (частотах, кратных частоте основного излучения);
Излучения на субгармониках (частотах, значения которых в целое число раз меньше частоты основного излучения), характерных для передатчиков, в которых частоты основного излучения получены путём умножения более низких частот;
-комбинационные
излучения, характерные для передатчиков с
так называемой диапазонно-кварцевой стабилизацией частоты возбудителя;
-интермодуляционные излучения, возникающие в тех случаях, когда выходные колебания одного передатчика попадают (в силу наличия функциональной или конструктивной связи между одновременно работающими передатчиками) в выходной каскад другого, при этом на имеющихся в выходных каскадах нелинейных элементах создаются колебания с частотами, отличающимися от частот основных излучений работающих передатчиков.
6. Классы излучаемых сигналов
Применение того или иного класса излучения определяется помехозащищенностью системы радиосвязи с данным видом модуляции, а также целевым предназначением передатчика (радиостанции). В частности, проектируемая радиостанция должна обеспечивать возможность работы с радиостанциями предыдущих разработок.
Связные маломощные передатчики чаще всего работают одним, двумя, реже – тремя видами излучаемых сигналов. Радиопередатчики средней и большой мощности, как правило, универсальны по видам излучений: они обладают большим набором как телефонных, так и телеграфных видов сигналов.
Каждому классу излучений присуща своя полоса радиочастот. Согласно рекомендациям МККР занимаемая ширина полосы излучений – это полоса частот, за нижним и верхним пределами которой средние излучаемые мощности составляет каждая по 0,5% всей средней мощности излучения данного передатчика.
МККР ‒ Международный Консультативный комитет по радиосвязи, один из постоянных органов Международного союза электросвязи (МСЭ), специализированного агентства ООН
Если основное излучение в пределах необходимой полосы частот содержит 99%, а внеполосные излучения – 1% всей средней мощности излучения передатчика, то ширина полосы излучения считается равной необходимой полосе частот. В этом случае речь идёт о совершенном излучении (рис.6,а). Чаще имеет место превышение ширины излучения над необходимей полосой (рис.6,б), т.е. передатчик имеет несовершенное излучение. Иногда за счёт снижения качества передаваемого сигнала удаётся реализовать излучение более узкое, чем совершенное (рис.6,в).
Рис.6 Занимаемая ширина полосы излучений
С целью лучшего использования спектра радиочастот и уменьшения внеполосных излучений MKКР рекомендует применять узкополосные сигналы, обеспечивающие минимально необходимую полосу излучений, в частности, максимально использовать однополосные сигналы и обеспечивать скругление фронтов телеграфных сигналов при телеграфной радиосвязи.
7. Требования общего характера
Обычно разработчику предоставляется свобода выбора конструкции передатчика. Оговариваются в технических условиях лишь условия размещения передатчика, в частности, вид транспортной базы (или стационарные условия), масса и габариты, климатические условия.
Вопрос о массе и габаритах особенно серьёзен при проектировании носимых радиопередатчиков и передатчиков, устанавливаемых на летательных аппаратах (самолётах, космических кораблях), бронеобъектах и т.п. В этих случаях обычно используются более простые схемные решения, применяются специальные материалы и конструкции, продумывается компактность монтажа с одновременным применением, в случае необходимости, мер принудительного охлаждения. Всё это должно делаться не за счёт понижения надёжности.
Требование надежности ‒ одно из важнейших всегда, а для мобильных передатчиков ‒ особенно. Его выполнение достигается, в частности:
Электрической и механической прочностью компонентов и всей конструкции;
Применением высококачественных материалов;
Недопустимостью тяжёлых режимов (недостаточный отвод тепла, работа электронных приборов с токами и напряжениями вблизи предельных величин и т.д.);
Упрощением схемы к конструкции.
Для подвижных и переносных передатчиков важное практическое значение имеет выполнение климатических и механических требований. Так, эти передатчики должны сохранять свою работоспособность в интервале температур от ‒40 до +50°С при относительной влажности до 98% и снижении атмосферного давления до 350 мм рт. ст. Независимость от климатических условий достигается герметизацией деталей, применением влагонепроницаемых уплотнений, материалов с малыми температурными коэффициентами, а также термокомпенсации. Для этих передатчиков чрезвычайно суровыми являются механические требования, удовлетворение которых обеспечивает надёжную работу в условиях вибраций и тряски.
Для стационарных передатчиков упомянутые требования обычно значительно ослаблены.
В показатель надёжности входит и ремонтопригодность, В случае необходимости должна быть предусмотрена система резервирования.
В связи с усложнением аппаратуры более строгими становятся эргономические требования к передатчикам. К ним, в частности, относятся:
Количество органов управления, необходимых оператору для выполнения перечисленных операций;
Наличие и простота встроенной системы контроля работоспособности (исправности);
Время готовности к работе после включения питания;
Время перехода (перестройки) с одной частоты на другую;
Время перехода с телефонной работы на телеграфную (и наоборот) и т.д.
Так, длительная перестройка недопустима для передатчиков, в которых по условиям эксплуатации приходится часто сменять рабочие частоты, например, в случае работы в так называемых адаптивных системах радиосвязи.
Адаптивная система автоматически приспосабливается к изменяющимся условиям связи, например, быстро переходит на новую рабочую частоту при поражении предыдущей частоты помехой (адаптация по частоте).
Перечисленные требования в значительной мере удовлетворяются применением систем автоматики. В связи с этим усложняется схема и более актуальным становится показатель надежности передатчика.
С эргономическими требованиями тесно связаны требования обеспечения безопасности обслуживающего персонала, операторов. Чем мощнее передатчик, тем более высокие градации питающих напряжений в нём используются. Они достигают нескольких десятков киловольт и представляют серьезную опасность для человека. Поэтому все детали и провода передатчика располагаются внутри шкафов (блоков), металлические экраны (кожухи) которых должны иметь надежное заземление (в наземных передатчиках) или соединение с корпусом корабля и самолёта (в корабельных и самолётных передатчиках). В передатчиках с напряжениями выше 300 В технические условия требуют применения двух независимых друг от друга блокировок ‒ электрической и механической.
Так, при открывании двери (вынимании блоков) автоматически должны отключаться высокие напряжения; доступ к мощным выпрямителям воз ножен лишь после разряда фильтровых конденсаторов на корпус и т.п. Во многих случаях применяется дополнительная сигнализация, специальные надписи и пр. Чем мощнее передатчик, тем разветвленнее его система управления, блокировки и сигнализации (УБС).
Структурная схема передающего устройства состоит из следующих блоков: устройства управления (УУ), буферного накопителя (БН), кодирующего устройства, устройства формирования старта (УФС), блока аварийной сигнализации и индикации (БАСИ), устройства формирования информационного блока (УФИБ), блока начальной установки (БНУ), ключевой схемы, счетчика переданных бит и двух генераторов тактовых импульсов (ГТИ).
Если какой-либо из 6 источников готов передавать данные, то он формирует сигнал «готов», который фиксируется устройством управления. Причем, одновременно информация может передаваться от одного источника. По данному сигналу в УФИБ и БАСИ помещается адрес передающего источника, а в БН информация от активного источника. По окончанию заполнения БН, УУ приостанавливает прием информации от источника и формирует сигнал «формировать», по которому адрес источника и информация от него становятся единой информационной посылкой. За формированием информационного блока следует формирование стартовой комбинации. УУ коммутирует ключевую схему для посылки стартовой комбинации в канал связи (КС), а затем для передачи информационной части. Далее информационный блок поступает на кодер и посылается в КС.
БАСИ представляет собой набор индикаторов, отображающих работу схемы. БНУ формирует импульс установки всех остальных блоков в исходное состояние. ГТИ 1 предназначен для переключения состояний УУ, ГТИ 2 включается только на время передачи данных в канал связи, что повышает синхронность работы приемной и передающей частей. Счетчик переданных бит предназначен для формирования сигнала конца передачи информационного блока.
Структурная схема передающего устройства представлена на рисунке 3.1.
Рисунок 3.1 - Структурная схема передающего устройства
Разработка структурной схемы приемного устройства
Структурная схема принимающего устройства состоит из следующих блоков: УУ, буферного накопителя данных, буферного накопителя адреса, декодирующего устройства, устройства выявления старта (УВС), БАСИ, БНУ.
Декодер предназначен для декодирования информации, которая поступает из КС. Буферные накопители принимают данные от декодирующего устройства. Функциональное назначение остальных элементов аналогично назначению одноименных элементов в передающей схеме.
Структурная схема принимающего устройства представлена на рисунке 3.2
Рисунок 3.2 - Структурная схема принимающего устройства
Алгоритм работы передатчика изображен на рисунке 3.3.
При включении питания передающего устройства сигнал поступает на БНУ, который устанавливает все остальные блоки в начальное состояние. Затем УУ подаст сигнал на БАСИ о наличии питания. После этого схема перейдет в режим ожидания готовности одного из источников передавать информацию. При получении сигнала от источника в БАСИ индицируется определенный сигнал, в соответствии с адресом активного источника.
Если посылка не сформирована, то передаются все биты адреса и информационной части в УФИБ, после чего формируется информационная посылка.
Если посылка сформирована, то на время ее передачи в КС происходит остановка чтения информации от активного источника.
Так как в метод передачи данных старт-стопный, то перед тем, как посылать информацию, предварительно отправляется в КС стартовая комбинация. После чего, информационная посылка кодируется и отправляется в КС.
Рисунок 3.3 - Алгоритм работы передатчика
УВС выявляет стартовую комбинацию из КС, после чего УУ запустит ГТИ, установит БНА и БНД в режим записи. Декодер декодирует информацию поступающую из канала связи. Декодированная информация поступает на БНА и БНД. По завершению nб тактов УУ остановит ГТИ, переведет БНА и БНД в режим чтения, подаст сигнал «готов» для ООД и перейдет в состояние ожидания старта.
Алгоритм работы приемника изображен на рисунке 3.4.
Рисунок 3.4 - Алгоритм работы приемника
Вывод к главе 3
В результат выполнения заданий данной главы получены структурные схемы передающего и принимающего устройств ССПИ, а так же алгоритмы их работы, что дает возможность выполнения более детального построения ССПИ - функциональных схем.
