Контрольная работа по курсу «Автоматизированные системы управления и связь»

МЧС России

Санкт-Петербургский университет

Государственной противопожарной службы

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа по курсу

 «Автоматизированные системы управления и связь»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: Капралов Денис Александрович

Слушатель 4 курса 311 уч. гр. з.о.

№116 зачетной книжки

 

Проверил:______________________________

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург 2014

 

 

 

 

 

16. Структурная схема, назначение  элементов схемы и основные  электронные параметры радиопередатчика

 

Радиопередающие устройства является важным элементом систем связи различного назначения. В большинстве случаев масса, габариты, энергопотребление, надежность и срок службы радиосистем в первую очередь зависят от характеристик и параметров радиопередающих устройств.

Радиопередающие устройства предназначены для формирования колебаний несущей частоты, модуляции их по закону передаваемого сообщения и излучения полученного радиосигнала в пространство (или передачи его по физическим линиям связи). Его основными элементами являются радиопередатчик (или просто передатчик) и антенно-фидерное устройство (АФУ), содержащее кабель питания и передающую антенну (рис. 1).

Рис.1. Структура радиопередающего устройства.

 

Таким образом, радиопередатчик это устройство для формирования радиосигнала,  подлежащего излучению в пространство. В радиопередатчике генерируются электрические колебания высокой частоты, один из параметров которых (амплитуда,  частота, фаза) изменяется в соответствии с сигналом, подлежащим передаче. Усиленный модулированный радиосигнал подается в антенну и излучается ею в пространство в виде радиоволн. Передатчики классифицируют по различным признакам, основными из которых является назначение, диапазон рабочих частот, величина излучаемой мощности, вид модуляции сигналов, условия эксплуатации и др.

Назначение радиопередатчика определяется видом системы радиосвязи, в которой он используется, и связано с видом передаваемого сообщения. Поэтому в зависимости от назначения различают радиовещательные, телевизионные, связные, радиолокационные, навигационные, телеметрические и другие передатчики. Назначение передатчика определяет вид и параметра передаваемого сигнала, например, связные передатчики служат для передачи телефонных сигналов. Ширина спектра таких сигналов сравнительно не велика и составляет единицы килогерц. Именно такие радиопередатчики и будут рассматриваться в дальнейшем

В зависимости от диапазона рабочих частот передатчики делятся в соответствии с классификацией диапазонов радиоволн и частот. При этом различают, например, длинноволновые, средневолновые, коротковолновые и ультракоротковолновые радиопередатчики.

По средней мощности излучаемых радиосигналов различают передатчики очень малой (менее 3 Вт), малой (3...100 Вт), средней (0,1...10 кВт), большой (10...100 кВт) и сверхбольшой (более 100 кВт) мощности.

В зависимости от вида модуляции сигнала различают радиопередатчики с амплитудной, частотной, импульсно-кодовой и другими видами модуляции.

По условиям эксплуатации передатчики могут быть стационарными, бортовыми (космическими, корабельными, самолетными и автомобильными) и переносными (носимыми).

Независимо от того, в каком диапазоне частот работают радиопередающие устройства,  как они оформлены конструктивно и какую обеспечивают дальность связи, их передатчики выполняются по схеме, в которой реализуются следующие основные принципы радиопередачи: формирование радиочастотных колебаний, модуляция, усиление, излучение в пространство радиоволн. Эти три функции объединяются общим понятием - формирование сигнала, под которым понимается высокочастотное электрическое колебание, несущее информацию.

В качестве примера рассмотрим обобщенную структурную схему радиопередатчика системы радиотелефонной связи (рис.2.). В состав схемы радиопередатчика входят следующие основные элементы:

возбудитель (В), иногда называемый задающим генератором (ЗГ);

умножитель частоты (УЧ);

модулятор (М);

усилитель мощности (УМ);

усилитель низкой частоты (УНЧ), в ряде случаев называемый усилителем звуковой частоты (УЗЧ).

Рис. 2. Обобщенная структурная схема радиопередатчика.

 

Блок питания, устройство управления и другие вспомогательные элементы приемника для простоты на схеме не показаны. Возбудитель (задающий генератор) передатчика служит для формирования несущего колебания на одной из ряда строго фиксированных частотах.

При небольшом числе (сетке) рабочих частот возбудитель представляет собой набор генераторов гармонических колебаний, настроенных на различные частоты (рис.3).  .

Для перехода с одной частоты на другую, то есть для перестройки передатчика, используется специальный переключатель, например, электронный коммутатор.

Рис. 3. Структурная схема возбудителя передатчика.

 

В многочастотных широкодиапазонных передатчиках в качестве возбудителя используют синтезатор частоты. В состав простейшего аналогового синтезатора частоты (рис. 4.) входят кварцевый автогенератор, называемый опорным, управляемый делитель частоты с переменным коэффициентом деления и устройство автоматической подстройки частоты.

Основное требование к возбудителю - высокая стабильность частоты. Поэтому генераторы возбудителя строятся, как правило,  по схеме маломощного автогенератора с кварцевой стабилизацией частоты. Малая мощность генератора позволяет использовать при его разработке более высокочастотные полупроводниковые приборы, обладающие меньшей инерционностью, обеспечивает облегченный тепловой режим работы усилительного прибора и кварцевого резонатора, что повышает стабильность частоты.

Кварцевые автогенераторы, как известно, работают на сравнительно невысоких (сотни и более Герц) частотах. Поэтому после задающего генератора включают каскады умножителей частоты, которые повышают частоту колебаний до необходимого значения, то есть до величины несущей частоты.

Умножителем частоты называют устройство, преобразующее гармоническое колебание частоты f  в гармоническое колебание с частотой kf, где к – коэффициент умножения частоты – целое число.

Рис. 4. Структурная схема простейшего синтезатора частоты.

 

Маломощные умножители частоты строятся на основе нелинейных приборов с электрически управляемой емкостью, например, варакторов (варикапов) – полупроводниковых диодов с емкостью, зависящей от величины прикладываемого к диоду обратного напряжения.

Более мощные умножители частоты выполняют на транзисторах, работающих в режиме отсечки коллекторного тока. Это позволяет формировать напряжение,  спектр которого содержит ряд гармоник высших частот, кратных частоте входного колебания 2 f, 3 f, 4 f,… Выходной контур умножителя настраивают на одну из этих частот в зависимости от требуемого коэффициента умножения.

Для получения достаточно высокого КПД умножителя, коэффициент умножения частоты обычно выбирают равным 2…3, поэтому умножитель частоты радиопередатчика выполняют в виде цепочки последовательно включенных умножителей частоты. При этом  коэффициент умножения частоты блока умножителей будет равен произведению коэффициентов умножения отдельных каскадов.

Иногда в умножителях частоты осуществляется еще и усиление мощности выходного колебания. Для этого последовательно включенные умножители чередуют с усилителями настроенными на соответствующие частоты.

Известно, что колебания  звуковой частоты не могут распространяться в виде радиоволн на большие расстояния,  какой бы мощностью они не обладали.  Поэтому для передачи информации на большие расстояния необходимо использовать носитель. В качестве такого носителя применяются колебания высокой частоты с выхода умножителя частоты. Наложение на радиочастотные  колебания  сигнала  звуковой частоты микрофона, несущего полезную информацию, происходит в специальном устройстве передатчика, которое называется модулятором, а сам процесс наложения называется модуляцией. Для этого на первый вход модулятора подается высокочастотное несущее колебание, вырабатываемое возбудителем после умножителя частоты, а на второй – низкочастотный сигнал микрофона, содержащий передаваемую информацию и усиленный в УНЧ.

Для обеспечения требуемой мощности на выходе передатчика в схеме применяется усилитель мощности, содержащий несколько каскадов усиления. Помимо основной задачи усилитель мощности дополнительно выполняет функцию фильтрации выходного сигнала от различных вредных (паразитных) колебаний, которые возникают в умножителе частоты и модуляторе наряду с основным (полезным) сигналом. Выходной каскад усилителя мощности передатчика нагружен на фидер, соединенный с передающей антенной.

 

Как уже отмечалось ранее, модуляцией называется процесс управления одним или несколькими параметрами электрических колебаний в соответствии с законом передаваемого сообщения.

В радиосвязи такими колебаниями служат несущие колебания высокой частоты возбудителя передатчика. Закон изменения его параметров определяется сигналом низкой частоты, содержащего передаваемую информацию.

Модуляцию можно также рассматривать как процесс наложения одного колебания на другой.

В зависимости от изменяемого параметра несущего колебания различают амплитудную, частотную или фазовую модуляцию.

Рассмотрим сущность процесса модуляции. Возбудитель передатчика вырабатывает гармоническое колебание высокой частоты (рис. 5,а)

которое характеризуется тремя параметрами: амплитудой U0, частотой f0 и начальной фазой j0.

Такое колебание информации не содержит, но может быть использовано как ее носитель. Для передачи полезной информации его модулируют - изменяют амплитуду, частоту или фазу в соответствии с электрическим эквивалентом сигналов первичной информации - речи,  музыки, изображения, показаний датчиков системы телеизмерений и др.

В процессе амплитудной модуляции (АМ) под действием управляющего сигнала низкой частоты изменяется амплитуда радиочастотных колебаний, остальные параметры остаются неизменными

Для простоты в данном выражении начальная фаза принята равной нулю. При модуляции синусоидальным напряжением звуковой частоты Fу (рис. 5,б)

где U у - амплитуда модулирующего напряжения звуковой частоты, амплитудно-модулированный сигнал можно представить в виде

Преобразовав это выражение, получим

где коэффициент m, называемый коэффициентом модуляции, служит для оценки глубины амплитудной модуляции.

Преобразовав полученное выражение с учетом произведения косинусов, окончательно получим

Отсюда следует, что при модуляции несущего колебания синусоидальным напряжением звуковой частоты F (тоном), амплитудно-модулированный сигнал содержит три составляющих: колебание с частотой f0 и два колебания – с верхней f0+F и нижней f0 – F частотами, которые называются боковыми частотами.

При модуляции сложным сигналом, спектр которого лежит в пределах от Fmin до Fmax , АМ-сигнал состоит из колебаний несущей  частоты f0 и двух боковых полос. Каждая боковая полоса соответствует спектру управляющего сигнала в пределах от (f0 -Fmax)  до (f0 -Fmin) для нижней боковой полосы и в пределах (f0+Fmin) до (f0+Fmax) – для верхней.

Рис. 5. Процесс амплитудной модуляции:

а) – немодулированное синусоидальное колебание;

б) – модулирующий низкочастотный сигнал;

в) – амплитудно-модулированный сигнал

 

Таким образом,  при  модуляции  сложным сигналом звуковой частоты ширина спектра АМ-сигнала  составляет 2Fmax. При амплитудной модуляции полная мощность излучения

где Р0 -  мощность излучения в режиме молчания при отсутствии модуляции (m=O). Следовательно, при максимально допустимой глубине модуляции (m=1) мощность боковых составляющих, в которых содержится передаваемая информация, равна всего лишь трети излучаемой мощности, что является основным недостатком амплитудной модуляции.

Вторым недостатком АМ сигналов является сравнительно широкая полоса частот, занимаемая сигналом передатчика. Поэтому АМ сигналы используются в радиовещании при передаче звуковой информации, где можно занимать широкую полосу частот.

Третий недостаток состоит в том, что затруднена усилительных каскадов передатчика при работе с АМ сигналами, так как амплитуда сигнала принудительно изменяется в широких пределах.

Рис. 6. Спектры АМ-сигналов: а) – при модуляции синусоидальным напряжением; б) – при модуляции сложным сигналом.

 

Основным достоинством АМ сигналов является сравнительная простота практической реализации АМ радиопередатчиков.

При частотной модуляции в соответствии  с модулирующим сигналом изменяется частота колебаний радиосигнала, а его амплитуда остается постоянной.  При модуляции чистым тоном частотой F закон изменения частоты имеет вид

где Df - максимальное отклонение частоты от среднего  значения, называемое девиацией частоты.

Девиация Df  является одним из важнейших параметров ЧМ-сигналов. Она зависит от амплитуды модулирующего сигнала, и его частоты.