Основные преобразования сигналов в РТС

ВВЕДЕНИЕ

На морском флоте широко используются различные радиотехнические системы (РТС). Они предназначены для:

- охраны человеческой жизни на море и обеспечения безопасности мореплавания;

- управления работой флота;

- передачи общественной и частной корреспонденции.

Для эффективного использования радиотехнических систем необходимо знать принципы их построения, технические характеристики и особенности эксплуатации.

Цель дисциплины "Радиотехника" - дать слушателям основные сведения, позволяющие понять принципы работы радиотехнических систем различного назначения. Основной задачей дисциплины является изучения основ радиотехники, достаточных для понимания принципов функционирования радиоэлектронных устройств и систем, эксплуатируемых на морском флоте.

В результате изучения дисциплины слушатели должны знать:

- основные преобразования сигналов в радиотехнических системах;

- временные и частотные характеристики сигналов;

- принципы цифровой передачи непрерывных сообщений;

- назначение и основные характеристики типовых радиоэлектронных устройств;

- источники электропитания электронных устройств;

- антенны и особенности распространения радиоволн различных диапазонов.

Пособие состоит из 6 разделов.

В первом разделе рассматриваются основные процессы, протекающие в радиотехнических системах, вводятся основные понятия и определения.

Во втором разделе рассматриваются характеристики сигналов во временной и частотной областях, приводятся основные сведения о кодировании, приводятся примеры кодов, используемых в морской радиосвязи.

В третьем разделе рассматриваются принципы функционирования и основные параметры антенн, а также условия распространения радиоволн различных диапазонов.

В четвертом разделе рассматривается элементная база радиотехнических систем.

В пятом разделе рассматриваются основные характеристики радиотехнических устройств.

В шестом разделе рассматриваются принципы построения и основные характеристики радиопередающих и радиоприемных устройств.

ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Основные понятия и определения

Теоретической базой построения РТС является радиотехника.

Радиотехника - область науки и техники, изучающая проблемы передачи и получения информации с помощью радиоволн.

Информацией называют сведения об окружающем нас мире. Материальным носителем информации является сообщение (текст, рисунок). Для передачи сообщений используют сигналы - процессы, распространяющиеся в пространстве и во времени (звук, свет, электрический ток или напряжение). Для формирования и приема сигналов используют специальные технические средства - системы связи. В РТС в качестве переносчика сигналов используют радиоволны.

Радиоволныпредставляют собой электромагнитные колебания с частотами 3•10³...3•10¹² Гц. Электромагнитные колебания распространяются в околоземном пространстве со скоростью света С = 300000 км/с. Математически радиоволны описываются гармоническими функциями

s(t) = A·Cos(2pft + φ),

где А - амплитуда,

f - частота,

φ - начальная фаза.

Основной характеристикой радиоволны является частота f. Единица измерения частоты 1 Гц - один период колебания в секунду. Для измерения радиочастот используют кратные единицы: 1 кГц = 1000 Гц, 1 МГц = 1000 кГц, 1 ГГц = 1000 МГц. Зная частоту f, можно определить период Т(с) = 1/f(Гц). Зная период T, можно определить длину волны:

λ = с·Т.

Длину волны измеряют в метрах или кратных/дольных единицах - километрах, дециметрах и т.п.

В зависимости от назначения РТС делятся н группы.

Классификация РТС

РТС

1. РТС передачи 2. РТС извлечения

информации информации

1.1. Радиосвязь 2.1. Радиолокация (Radiolocation)

(Point-to-point communication) 2.2.Радионавигация (Radionavigation)

1.2. Радиовещание

(Broadcаst)

1.3. Факсимильная связь (Faximile)

передача неподвижных изображений

1.4. Телевидение (Television) –

передача подвижных изображений.

Основные преобразования сигналов в РТС

Рассмотрим основные преобразования сигналов в РТС на примере системы радиосвязи. Под радиосвязью понимают обмен информацией с помощью электромагнитных волн. Структурная схема системы радиосвязи показана на рис.1.1. Источник информации (оператор) взаимодействует с системой связи с помощью устройства ввода (передающий терминал Т_пд). Устройство ввода (микрофон телефонного аппарата, клавиатура телеграфного буквопечатающего аппарата, клавиатура компьютера и т.д.) преобразует сообщение (речь, текст) в электрические сигналы, частотный состав (спектр) которых лежит в области низких (звуковых) частот (20Гц..20кГц). При необходимости для повышения энергии таких сигналов используют усилители звуковой частоты УЗЧ. Передача таких сигналов может осуществляться по физическим линиям связи - соединительным проводам.

Структурная схема системы радиосвязи

Рис.1.1

Примером таких систем электросвязи является городская телефонная связь, система связи между отдельными составляющими ЭВМ (процессора с принтером и дисплеем), между несколькими ЭВМ, находящимися в одном здании (на судне) - т.н. локальная вычислительная сеть. Передача информации на подвижные объекты (суда, самолеты автомобили) осуществляется с помощью радиоволн, распространяющихся в околоземном проcтранстве. Распространение радиоволн на большие расстояния возможно лишь на высоких частотах (радиочастотах), кроме того, использование радиочастот позволяет существенно уменьшить размеры антенных устройств. Такие высокочастотные колебания - их называют несущими - вырабатываются с помощью специальных генераторов радиочастот ГРЧ.

Для того чтобы несущее колебание содержало передаваемую информацию, необходимо наложить низкочастотный сигнал на высокочастотное колебание - этот процесс называется модуляцией и реализуется модулятором М. Суть модуляции заключается в изменении одного из параметров несущего колебания по закону управляющего сигнала. Для гармонического несущего колебания используют амплитудную, частотную и фазовую модуляцию.

Для увеличения дальности действия системы радиосвязи (в диапазонах коротких и средних волн) модулированные сигналы усиливают с помощью усилителя радиочастоты УРЧ. Эти блоки расположены в радиопередатчике РПД - устройстве для формирования модулированных радиосигналов.

Модулированные колебания с выхода РПД поступают на передающую антенну WА_пд, в которой осуществляется преобразование электрических сигналов в электромагнитные поля (радиоволны). Радиоволны распространяются в околоземном пространстве.

Среда распространения радиоволн образует канал связи КС.

Для приема сигналов необходимо реализовать процедуры, обратные преобразованиям в РПД - прием электромагнитных волн и их преобразование в радиосигналы с помощью антенны WА_пм, усиление этих сигналов с помощью усилителя УРЧ, выделение низкочастотного сигнала с помощью демодулятора (детектора) Д, усиление низкочастотного сигнала с помощью УЗЧ. Для предотвращения попадания сигналов от других станций используют избирательное устройство ИУ, осуществляющее частотную селекцию (выделение) сигнала на выбранной несущей частоте, которая представляет собой систему связанных колебательных контуров. Эти преобразования выполняются в радиоприемнике РПМ. Для восприятия сообщения приемником информации (оператором) используют устройство вывода (приемный терминал - Т_пр) - динамик, печатающее устройство телеграфного аппарата, дисплей или принтер ЭВМ и т.д., которое преобразует электрические сигналы в сообщение, воспринимаемое оператором (звук, печатные знаки).

Для функционирования перечисленных устройств к ним подключают источник электрической энергии - источник питания ИП.

В системе связи действуют внутренние (внутри аппаратуры) и внешние (в атмосфере) помехи - процессы той же физической природы, что и сигнал. В результате действия помех форма сигнала искажается и правильный прием информации затруднен. Способность системы радиосвязи противостоять помехам называется помехоустойчивостью. Для оценки помехоустойчивости используют различные характеристики в зависимости от вида передаваемой информации. При передаче речи или музыки качество связи оценивается отношением уровня сигнала к уровню помех, определяющим разборчивость речи или качество воспроизведения музыки.. При передаче дискретных сообщений (текста) качество связи оценивается коэффициентом ошибок k_ош - отношением числа ошибочно принятых знаков N_ош к общему числу переданных знаков N_об : k_ош = N_ош/N_об.

Рассмотренная система радиосвязи позволяет передавать сообщения в одном направлении - от передатчика к приемнику. Для обмена информацией в обоих направлениях необходимо дополнить систему вторым комплектом оборудования. В этом случае РПД и РПМ конструктивно выполняют в виде единого устройства, которое способно работать в режиме передачи и приема. Такое устройство называют радиостанцией. В радиостанции модулятор и демодулятор выполняют также в виде единого блока, который называют модем. (Заметим, что модемы применяют и в проводной связи для обмена информацией между персональными компьютерами с помощью телефонной сети.) Аналогично Т_пд и Т_пм конструктивно объединяют в одно устройство, которое называют оконечным оборудованием данных – ООД (Data Terminal Equipment-DTE) или терминалом.

С помощью радиостанций можно попеременно менять направление передачи информации и осуществлять поочередную передачу и прием сообщений на одной несущей радиочастоте (одном канале). Такой режим называют симплексным. При наличии линии связи с двумя каналами появляется возможна передача информацию одновременно в обоих направлениях (если оконечное оборудование способно обеспечить одновременную передачу и прием информации). Такой режим двусторонней передачи информации называют дуплексным.

Контрольные впросы к разделу 1

1. Составьте структурную схему системы радиосвязи и опишите назначение основных блоков.

2. Дайте определение радиотехнических систем

3. Приведите примеры радиотехнических систем передачи информации.

4. Перечислите характеристики, определяющие качество передачи информации в системах связи.

5. Приведите показатели помехоустойчивости приема непрерывных и дискретных сообщений.

СИГНАЛЫ В РТС

Классификация сигналов

Под сигналами будем понимать изменяющийся во времени электрический ток или напряжение. Сигналы, отражающие передаваемое сообщение, могут быть непрерывными, принимающими любое значение в пределах заданного диапазона (например, на выходе микрофона), и дискретными, принимающими в заданные моменты времени одно из нескольких разрешенных значений. Например, для передачи знаков русского алфавита необходимо использовать 33 разных сигнала, для передачи цифр – 10 сигналов. Для простоты технической реализации и универсальности систем передачи информации, способных передавать различные сообщения, число используемых сигналов принимают равным 2 (для удобства анализа их обозначают обычно символами 1 и 0). Символу 1 соответствует, например, высокий уровень напряжения прямоугольной формы

Форма цифровых сигналов

Рис.2.1

длительностью t₀, символу 0 - низкий (нулевой) уровень напряжения той же длительности

или импульс напряжения отрицательной полярности (см. 2.1). Такие сигналы называют цифровыми или двоичными. Для отображения знаков алфавита с помощью набора 1 и 0 используют специальные коды, с помощью которых каждый знак алфавита представляется двоичным числом или кодовой комбинацией. Кодирование и декодирование осуществляется в терминале.

Системы, предназначенные для передачи непрерывных сигналов, называют непрерывными или аналоговыми, а системы, предназначенные для передачи дискретных сигналов, называют дискретными или цифровыми системами. Непрерывные сигналы во временной области характеризуются динамическим диапазоном - областью, в пределах которой изменяется значение сигнала, и полосой занимаемых частот. Цифровые сигналы характеризуются длительностью t_о или скоростью передачи V – числом сигналов, передаваемых в единицу времени. Эта величина измеряется в Бодах (1 Бод равен одному двоичному сигналу в секунду): V (Бод) = 1/ t_о(с). Для передачи двоичных сигналов также требуется некоторая полоса частот, которая зависит от скорости передачи t_о.

Заметим, что любой непрерывный сигнал может быть приближенно представлен в виде цифрового с помощью процедур дискретизации по времени, квантования по уровням и кодирования (соответствующее устройство преобразования называют аналого-цифровым преобразователем - АЦП) и передан по цифровой системе передачи. Обратная процедура восстановления непрерывного сигнала из дискретного реализуется с помощью цифро-аналогового преобразователя - ЦАП.