Датчики безопасности ребёнка

1.4.2 Модуляция

Общая схема радиосвязи довольно проста: в радиопередатчике специальным генератором формируются электрические колебания высокой частоты , которые затем смешиваются с полезным сигналом (модулируются) и при поступлении в антенну, преобразуются в электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве. Достигнув антенны приемника, электромагнитные волны наводят в ней переменный ток, который усиливается, демодулируется и поступает на устройство воспроизведения.

Таким образом, модуляция - это процесс объединения информационного, в данном случае звукового сигнала, с частотой генератора.

Модуляция определенным образом изменяет форму ВЧ колебаний и бывает нескольких видов. В радиосвязи чаще всего используют амплитудную (АМ) и частотную модуляцию (ЧМ).

Модулирующий сигнал изменяет либо амплитуду несущей, либо ее частоту. И в том, и в другом случае несущая нагружается полезным сигналом.

Можно привести пример амплитудной модуляции:

Пусть сигнал высокой частоты ω описывается формулой

u = umcosωt.  (1)

Тем или иным способом воздействуем на амплитуду um этого сигнала сигналом низкой частоты Ω так, чтобы изменение амплитуды составило ΔumcosΩt. Тогда вместо формулы (1) получим:

u = (um + ΔumcosΩt)cosωt. (1’)

Такой сигнал высокой частоты, амплитуда которого меняется с низкой частотой, называется амплитудно-модулированным.

Последнюю формулу можно переписать в виде

u = um(1 + mcosΩt)cosωt. (2)

Коэффициент m = Δum/um принято называть глубиной модуляции.

Графики амплитудно-модулированного сигнала для глубины модуляции m1 = 0,5 и m2 = 1,0 изображены на рис. 1.:

 Рис.1 (а) - высокочастотный сигнал ;

Рис.1 (б) - модулирующий низкочастотный сигнал ;

Рис 1 (в, г) - амплитудно-модулированные сигналы с глубиной модуляции m1 = 0,5 и m2 =1,0 ;

Спектр амплитудно-модулированного сигнала

Зависимость амплитуды сигнала от его частоты называется спектром. В формуле (2) выражение

um(1 + mcosΩt)

можно считать медленно меняющейся амплитудой высокочастотного сигнала cosωt. Чтобы получить спектр амплитудно-модулированного сигнала, формулу (2) нужно переписать так, чтобы она состояла только из компонентов с постоянными амплитудами.

Таким образом, амплитудно-модулированное колебание можно считать не только ВЧ колебанием с медленно меняющейся амплитудой, но и суммой трёх высокочастотных колебаний разных частот с постоянными амплитудами.

Спектр рассматриваемого амплитудно-модулированного сигнала (рис.2):

Рис. 2.

Это линейчатый спектр, который состоит из трёх линий с частотами ω – Ω, Ω и ω + Ω. При этом ширина спектра равна удвоенному значению частоты ω модулирующего сигнала. Спектр же низкочастотного модулирующего сигнала состоит из одной линии частотой Ω.

1.4.3. Канал радиосвязи

Для передачи информации посредством электромагнитных волн канал радиосвязи должен включать в себя передатчик и приёмник, настроенный на частоту передатчика. Причём в передатчике должны быть генератор высокой частоты, модулятор и колебательный контур, а в приёмнике – перестраиваемый колебательный контур и демодулятор.

Рис. 3. Упрощённая  структурная схема радиопередатчика

В передатчике электромагнитное поле возникает при электрических колебаниях и в контуре, т. е. в замкнутой цепи, содержащей конденсатор и катушку индуктивности. При каждом изменении направления электрического тока в контуре, вокруг него возникает изменяющееся магнитное поле, а оно (согласно теории Максвелла), обязательно рождает и электрическое поле. Замкнутые силовые линии полей распростоняются в пространстве.

Во многих случаях для увеличения дальности радиосвязи с колебательными контурами передатчика и приёмника соединяют антенны и заземления.

Антенна – колебательная система и для достижения максимальной эффективности ее необходимо настроить в резонанс с принимаемой (как, впрочем, и в передатчике с передающей) частотой.

Обычно антенну рассматривают как катушку индуктивности, а емкостью будет она же, выступающая в роли одной из обкладок конденсатора, второй же обкладкой будет поверхность земли. Параметры антенны также влияют на способность приемника принимать определенную радиостанцию.

Индуктивность и емкость антенны, определяется ее геометрическими размерами, конструкцией, материалом и т.п. Рассчитать антенну гораздо сложнее, чем обычный колебательный контур, состоящий из катушки и конденсатора.

На рис. 4. изображён простейший канал радиосвязи:

Рис. 4.

13

1 – модулирующий сигнал (звук);

2 –ВЧ электромагнитная волна (несущая);

3 – амплитудно-модулированная электромагнитная волна;

1 – ВЧ сигнал, выделенный колебательным контуром;

2 – сигнал после выпрямления детектором;

3 – НЧ сигнал, поступающий в динамик;

14

На рис. 4. слева изображён генератор высокой частоты на транзисторе. Последовательно с источником питания включена вторичная обмотка трансформатора, с первичной обмоткой которого соединён микрофон. Когда в микрофон говорят, меняется напряжение на вторичной обмотке трансформатора. Оно складывается с постоянным напряжением питания. В результате генератор питается пульсирующим напряжением, и амплитуда вырабатываемого им напряжения высокой частоты меняется в соответствии с низкочастотным сигналом. Амплитудно-модулированное напряжение приложено между антенной и заземлением. Поэтому антенна излучает амплитудно-модулированную электромагнитную волну.

Радиоприёмник (рис. 4., справа) состоит из подключённого к антенне и заземлению колебательного контура, детектора (диода), фильтра низкой частоты, усилителя и динамика.

В общем случае процесс приема сигнала выглядит следующим образом:

          Электромагнитные волны наводят в антенне токи высокой частоты;

          Эти токи поступают на входной контур;

          Контур выделяет из множества частот только узкую полосу, на которую он настроен;

          Из высокочастотного сигнала необходимо выделить скрытый в нем сигнал звуковой частоты (звуковую информацию);

          Электрический сигнал звуковой частоты надо преобразовать в акустический сигнал, который можно прослушать.

Колебательный контур можно перестраивать по частоте, например, конденсатором переменной ёмкости. В приёмной антенне возбуждается переменный ток одновременно от огромного количества работающих в данный момент радиостанций. Для получения нужной информации следует выделить одну радиостанцию. Эту функцию осуществляет колебательный контур.

При настройке контура на частоту радиостанции возникает резонанс, и напряжение на контуре значительно возрастает. Принятый амплитудно-модулированный сигнал детектируется полупроводниковым диодом.

Процесс выделения звука (или другой полезной информации) из высокочастотного сигнала называется демодуляцией (процесс обратный модуляции) или иначе – детектированием.

Рис. 5. Выпрямление электрического тока диодом.

Задача детектора состоит в том, чтобы «вырезать» положительную полуволну, которая также содержит полезную информацию в виде изменения амплитуды.

Но высокочастотный сигнал нельзя прослушать на наушники (колонки) – нужна звуковая частота. Для удаления высокочастотной составляющей в схему после диода включен конденсатор. Емкость конденсатора выбрана таким образом, чтобы он пропускал только высокочастотную составляющую сигнала. Теперь имеется сигнал эквивалентный переданному радиопередатчиком.

Колебательный контур приёмника, с одной стороны, должен иметь узкую полосу пропускания, чтобы ненужные станции не мешали. С другой стороны, эта полоса пропускания должна быть достаточно широкой, чтобы контур пропускал весь спектр принятого сигнала.

Детекторный приёмники не используются для серьезных задач, но на его примере можно проследить процессы, протекающие в более сложных радиоприемных устройствах.

К недостаткам детекторных приемников следует отнести: низкую чувствительность и избирательность (возможность принимать конкретную станцию без помех со стороны других станций с близкой частотой), слабый уровень воспроизводимого сигнала.

В детекторном радиоприемнике нет даже источника питания – он работает на энергии радиоволны. Уровень этой энергии очень мал и для громкоговорящего приема должен усиливаться. Сигнал детекторного приемника настолько слаб, что позволяет прослушивать сигналы только мощных близлежащих радиостанций и только на наушники. Для повышения уровня принимаемого сигнала используются различные виды усиления.

На данный момент используются схемы супергетеродинного приемника (предложенная в 1913 году американским изобретателем Эдвином Армстронгом) - один из типов радиоприёмников, основанный на принципе преобразования принимаемого сигнала в сигнал фиксированной промежуточной частоты с последующим её усилением.

1.5 Различие аналоговой и цифровой техники

Существуют цифровые и аналоговые устройства. Радионяня ,также относящаяся к радиотехнике, может быть аналоговой и цифровой.

Аналоговые электронные устройства - устройства усиления, преобразования, обработки электрических сигналов, выполненных на базе электронных приборов.

Аналоговые сигналы (U или I) – те сигналы, которые изменяются по такому же закону, что и физические процессы их порождающие.

Аналоговая система:

Характеристики аналогового сигнала:

-         аналоговый сигнал известен во все моменты времени;

-         описание - аналитическое, график или осциллограмма;

Виды аналоговых сигналов:

Аналоговый сигнал может быть непрерывным или дискретным:

-                     непрерывный;

Рис. 5.1.

-        дискретный по времени сигнал А1, А2, ….Аn  в  моменты времени t1, t2…tN ;

Рис. 5.3.

Рис. 5.4. Форма аналогового сигнала на разных этапах его передачи

Цифровой сигнал – если числовое значение аналогового сигнала выразить группами импульсов, обозначающими определенные числа, то можно получить цифровой сигнал.

Представляется в двоичной системе счисления, как самой простой для отображения импульсом.

Способ представления числа - способ кодирования. Кодовое число отражает величину сигнала.

Рис. 5.4 Кодирование параметра аi последовательностью видеоимпульсов.

{а} —► {к} (аналоговое значение—► кодовое слово) = Процесс оцифровки

Рис. 5.5. Схема передачи импульсных сигналов

Кодовое слово - есть определённой длины последовательность символов. Так можно выразить любой параметр сигнала.

Таким образом цифровой сигнал получается из аналогового сигнала путем преобразования его в цифровую форму, и это преобразование включает следующие три операции:

1. Дискретизацию во времени, т.е. замену непрерывного аналогового сигнала последовательностью отдельных во времени отсчетов этого сигнала.

2. Квантование по уровню, заключающееся в округлении значения каждого отсчета до ближайшего уровня квантования. Фиксированные уровни, к которым привязываются отсчеты, называются уровнями квантования.

Дискретизированный и квантовый сигнал уже является цифровым.

3. Для увеличения помехозащищенности сигнала его лучше преобразовать в двоичную форму, при этом номер будет преобразован в кодовую комбинацию символов 0 или 1 (импульсно-кодовая модуляция). В результате кодирования (оцифровки) значение отсчета представляется в виде числа, соответствующего номеру полученного уровня квантования.

Все три операции выполняются в одном узле – аналого-цифровом преобразователе (АЦП). Обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговый производится в устройстве, называемом цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП).

Можно привести пример дискретизации сигнала:

Рис. 5.6.

Если в цепь микрофона (рис. 5.6), где ток является непрерывной функцией времени, встроить электронный ключ и периодически на короткие мгновения замыкать его, то ток в цепи будет иметь вид узких импульсов с амплитудами, повторяющими форму непрерывного сигнала, и представлять собой нич­то иное, как дискретный сигнал (рис. 5.6).Интервал времени t(д)  через который отсчитываются значения непрерывного сигнала, называется интервалом дискретизации. Обратная величина 1/t(д) =f(д) называется частотой дискретизации.