Всего на сайте:
303 тыс. 117 статей

Главная | Управление и эксплуатация транспортных средств

Передатчики  Просмотрен 20

5.2.1. Общие сведения о передатчиках

 

ПРД состоит из следующих функциональных узлов (рис.5.3):

усилителя низкой частоты (УНЧ);

модулятора;

– усилителя радиочастоты (УРЧ);


– согласующего устройства (СУ).

 

УНЧ усиливает НЧ РИ или ВИ, поступающие от ПЕТ, для обеспечения нормального режима работы модулятора. Модулятор осуществляет преобразование НЧ синусоидального ЭК (НЧ РИ или ВИ) в РЧ РИ, необходимые для подачи на АПРД.

УРЧ усиливает РЧ РИ, поступающие с выхода модулятора, до необходимой величины амплитуды, обеспечивающей требуемую мощность излучения АПРД.

Максимальная эффективность излучения антенны приходится на ее резонансную частоту. При изменении задаваемой модулятором рабочей частоты ПРД эффективность излучения энергии антенной падает из-за несоответствия ее резонансной частоте. Для подстройки характеристик антенны под РЧ без изменения ее геометрических размеров применяется СУ, которое выполняет согласование выхода УРЧ с АПРД.

Основными техническими характеристиками ПРД являются:

– диапазон РЧ;

– классы излучения (режимы работы) – вид модуляции, характер сигнала (телефонный, телеграфный и т.п.);

– выходная мощность ПРД, направляемая в антенну.

К эксплуатационным характеристикам ПРД относится нестабильность его параметров (в частности нестабильность FРЧ).

В морской радиосвязи используются ПРД следующих диапазонов:

– промежуточных и коротких волн (ПВ/КВ) с частотами 1,6–27,5 МГц;

– ультракоротких волн (УКВ) с частотами от 155 до 161 МГц;

– дециметровых волн в системе спутниковой связи ИНМАРСАТ с частотами 1625,5–1649,5 МГц.

В зависимости от назначения ПРД его выходная мощность составляет от долей Вт (ПРД сотовой связи) до десятков МВт (магистральные ПРД). Выходная мощность ПРД обеспечивает необходимую мощность радиоволны в точке приема, однако чрезмерно большая мощность излучения может оказывать негативное влияние на членов экипажа и мешающее воздействие на работу других судовых устройств РТС, поэтому вводятся ограничения максимальной мощности ПРД. В судовых радиопередатчиках она составляет: для ПВ-диапазона 400 Вт, для КВ-диапазона 1,5 кВт, для УКВ-диапазона 25 Вт, для спутниковых ПРД 40 Вт.

Нестабильность частоты ПРД характеризуется отклонением рабочей (реальной) частоты РПД FРЧ от номинальной Fн. Количественной оценкой служит относительная нестабильностьF):

 

δF = (FРЧ – Fн) / Fн. (5.5)

 

В современных ПРД величина δF составляет 10–5–10–8 и менее.

 

5.2.2. Усилители

5.2.2.1. Общие сведения об усилителях

Усилитель — это изделие, предназначенное для увеличения амплитуды подводимого ЭК за счет энергии источника питания. Усилители относятся к аналоговым изделиям.

Простейший усилитель состоит из усилительного элемента (электронной лампы, транзистора), набора пассивных элементов (резисторы, емкости, индуктивности) и источника электрической энергии, образующих усилительный каскад.

Он имеет входную цепь, к которой подводится усиливаемое ЭК, и выходную цепь для получения выходного ЭК. Электронные усилители обычно состоят из нескольких каскадов, соединяемых так, что выход одного каскада соединяется с входом следующего каскада.

5.2.2.2. Классификация усилителей

Могут применяться несколько разнообразных классификационных признаков усилителей.

В зависимости от элементной базы усилители делятся на следующие виды:

– ламповые (на лампах);

– транзисторные (на полупроводниковых транзисторах);

– диодные (на специальных типах диодов (например, диодах Ганна)),

– операционные (на интегральных микросхемах).

В настоящее время преимущественное применение получили операционные усилители из-за большого коэффициента усиления, малых размеров и небольшой потребляемой энергии. Однако они неспособны усиливать большие мощности. В этих случаях используют ламповые или транзисторные усилители. Последние вытесняют ламповые усилители, так как являются более экономичными. Напряжение питания транзисторных усилителей в несколько раз меньше ламповых, они способны выдерживать большие мощности и имеют небольшие размеры.

В зависимости от диапазона частот усиливаемых ЭК усилители разделяют на следующие виды:

– усилители низких частот (УНЧ), которые используются, например, для усиления частот звукового диапазона (F < 30 кГц);

– усилители радиочастот (УРЧ), используемые для усиления РЧ ЭК; в СВЧ радиоприемных устройствах УРЧ также называются малошумными усилителями (МШУ);

широкополосные усилители (ШПУ), используемые для усиления ЭК, занимающих большую полосу частот (например, телевизионных ВС);

усилители постоянного тока (УПТ), которые используются для усиления ЭК, частотный состав которых начинается с «нулевой» частоты;

избирательные усилители, построенные на каскадах с нагрузкой в виде колебательных контуров.

УНЧ служат для усиления непрерывных периодических сигналов в диапазоне низких частот (от десятков герц до десятков килогерц). Особенностью УНЧ является то, что отношение верхней усиливаемой частоты к нижней велико и имеет значение от нескольких сотен до нескольких тысяч.

УПТ предназначены для усиления медленно меняющихся напряжений и токов в диапазоне частот от нуля до некоторой наибольшей частоты.

Избирательные усилители, характеризующие небольшими значениями отношения верхней и нижней частот. Как правило, это усилители высокой частоты (УВЧ).

Широкополосные (импульсные) усилители работают в диапазоне от нескольких кГц до нескольких десятков МГц и используются в устройствах импульсной связи, радиолокации, телевидения.

По характеру усиливаемых сигналов разделяют: усилители аналоговых сигналов, усилители импульсных сигналов.

По типу усиливаемой величины разделяют: усилители напряжения, тока, мощности.

По числу каскадов: одно, двух, многокаскадные.

По особенностям различных характеристикусилителей: линейные, логарифмические, линейно-логарифмические, МШУ, резонансные, видео-усилители (усилители ВИ) и др.

 

5.2.2.3. Основные характеристики усилителей

Характеристики усилителей разделяют на входные (параметры входа), выходные (параметры выхода) и проходные (параметры и графики связи величин входных и выходных параметров).

Входные параметры усилителей:

– входной амплитудный динамический диапазон (АДД)— диапазон амплитуд ЭК на входе усилителя (UвхminUвхmax или IвхminIвхmax или Pвхmin–Pвхmax), которым на его выходе соответствует выходной АДД (рис.5.4);

– входное сопротивление (Rвх), которое при условии Rвх<<Rвых.ист (Rвых.иствыходное сопротивление источника ЭК, которое включено параллельно сопротивлению Rвх), можно определить по формуле

Rвх = Uвх.н / Iвх.н; (5.6)

– чувствительность усилителя минимальная величина амплитуды ЭК (ЧUчувствительность по напряжению, или ЧIчувствительность по току, или ЧPчувствительность по мощности) на входе усилителя, для которой обеспечивается заданное соотношение сигнал/шум на его выходе (Uвых.с/Uвых.ш или Iвых.с/Iвых.ш или Рвых.с/Рвых.ш)или в запертых (подпертых) усилителях соответствует величине поданного на вход усилителя запирающего напряжения (Uвх.зап). Подпирание входа применяют в видеоусилителях для отрезания его шумов на выходе.

Выходные параметры усилителей:

выходная мощность усилителя вых) представляется величиной Pвыхmax илиPвых.н;

– выходной АДД (UвыхminUвыхmax или IвыхminIвыхmax или Pвыхmin–Pвыхmax) — диапазон изменения величин амплитуды ЭК на выходе усилителя (см.рис.5.4);

выходное сопротивление (Rвых), которое, при условии Rвых<<Rвх.наг (Rвх.нагвходное сопротивление нагрузки усилителя, включенное параллельно сопротивлению Rвых), можно определить по формуле

Rвых = Uвых.н / Iвых.н; (5.7)

– коэффициент полезного действия (η):

 

η = Pвыхmax/PИП, (5.8)

где РИП — мощность, потребляемая усилителем от источника питания.

Проходные параметры усилителей:

коэффициент усиления (КUпо напряжению, или КIпо току, или КР по мощности) — отношение величины амплитуды ЭК на выходе к величине амплитуды ЭК на входе усилителя:

 

КU = Uвых / Uвх; КI = Iвых/Iвх; КP = Pвыхвх=KгKU; (5.9)

 

коэффициенты усиления могут выражаться в дБ: КUдБ=20lgКU; КIдБ=20lgКI; КР,дБ=10lgКР;для многокаскадных усилителей коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления его каскадов:

 

К = К1, К2 … Кn; КдБ = К1дБ2дБ+…+КnдБ; (5.10)

 

– полоса пропускания усилителя (ΔFпр) полоса частот, усиливаемых ЭК, для которых KU ≥ 0,707КUн или KI ≥ 0,707KIн или КP≥0,5КPн (рис. 5.7).

Проходные графики усилителей:

– передаточный график каскада или УПТ (рис.5.5) — это зависимость величины амплитуды выходного ЭК (вых или вых или Р̄вых) от величины амплитуды входного постоянного ЭК (вх или вх или Р̄вх). Этот график используют для выбора рабочей точки усилительного каскада (ŪP) — это величина постоянного напряжения на входе УПТ или усилительного каскада (смещения); при этом различают усилители класса А (рабочая точка А), усилители класса В (рабочая точка В) и усилители класса АВ (рабочая точка АВ). Все типы усилителей характеризуются наличием ограничения амплитуд выходного ЭК (насыщения усилителя) из-за предельной возможности усилительных элементов выдавать электрические заряды, а нижняя часть амплитудного графика определяется уровнем собственных шумов усилителя;

– амплитудный график усилителя (см.рис.5.4) — это зависимость величины амплитуды выходного ЭК (вых или вых или Р̃вых) от величины амплитуды входного переменного ЭК (вх или вх или Р̃вх);

проходной график усилителя (рис.5.6)это зависимость величины коэффициента усиления (КU или KI или КР)от величины амплитуды

  
 

входного ЭК (Uвх или Iвх или Рвх); на проходном графике определяется входной АДД на уровне 0,707 от максимального коэффициента усиления (КUmax) или0,5КРmax;


– частотный график усилителя (см.рис.5.7) — это зависимость коэффициента усиления от частоты входного ЭК. Этот график применяют для определения полосы пропускания усилителя ΔFпр. При усилении сложного входного сигнала, содержащего ряд гармоник, они усиливаются неодинаково, что приводит к искажению формы усиленного сигнала. Такие искажения характеризуются коэффициентом частотных искажений F):

 

МF = КUнF, (5.11)

 

где КF — коэффициент усиления усилителя на заданной частоте;

– фазочастотный график усилителя — это зависимость величины сдвига фаз между входным и выходным ЭК от величины частоты приходящего ЭК (рис.5.8);

  
 

– переходной график усилителя — это зависимость величины амплитуды выходного сигнала (тока, напряжения) от времени при скачкообразном входном воздействии (рис.5.9).

5.2.3. Модуляторы

 

5.2.3.1. Общие сведения о модуляторах

 

Спектры ЭК, вырабатываемых различными типами ПЕТ, находятся в области низких частот. У цифровых сигналов основная энергия приходится на «нулевую» частоту, т. е. на постоянную составляющую сигнала, поэтому такие сигналы часто называют сигналами постоянного тока. Ток низких частот хорошо распространяется по проводникам (физическим проводам), но излучение и прием электромагнитных волн на этих частотах чрезвычайно затруднен. Для передачи сигналов на большие расстояния с помощью электромагнитных волн необходимо перенести спектр низкочастотного ЭК в область высоких частот (радиочастот — РЧ). Этот перенос спектра называют модуляцией, осуществляемой с помощью модулятора. Суть ее заключается в том, что один из параметров высокочастотного РЧ колебания (несущее колебание) и его частота (несущая частота) изменяются по закону НЧ управляющего ЭК, содержащего передаваемое сообщение.

Для преобразования НЧ синусоидальных ЭК или НЧ РИ применяется модулятор, состоящий из смесителя и высокочастотного опорного генератора (ОГ), работающего в автоколебательном режиме (рис.5.10,а).

Для преобразования ВИ в РЧ РИ применяется модулятор в виде ждущего генератора РИ (рис.5.10,б), который объединяет функции ОГ и смесителя, но значительно экономичнее их, так как не работает при отсутствии входных ВИ.

  
 

В зависимости от используемого параметра РЧ РИ в качестве РНП модуляторы бывают с амплитудной (АМ), частотной (ЧМ), фазовой (ФМ) модуляцией, а также с различными видами импульсной (дискретной) или кодоимпульсной модуляцией (КИМ), с дельта-модуляцией (ДМ) и др.

При АМ по закону приходящего от ПЕТ электрического НЧ РИ или ВИ колебания изменяется амплитуда РЧ РИ колебания, при ЧМ — частота, при ФМ — фаза.

Сообщение при импульсной модуляции представляется двоичным кодом. Из импульсных видов модуляции наиболее часто используют:

– амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ) — в зависимости от посылки символов «0» или «1» меняется амплитуда передаваемых импульсов;

– широтно-импульсную модуляцию (ШИМ или ДИМ) — в зависимости от посылки символов «0» или «1» меняется длительность передаваемых импульсов;

– фазо-импульсную модуляцию (ФИМ) — в зависимости от посылки символов «0» или «1» меняется фаза передаваемых импульсов;

– частотно-импульсную модуляцию (ЧИМ) — в зависимости от посылки символов «0» или «1» меняется период следования импульсов.

При КИМ каждому значению амплитуды сигнала в дискретные моменты времени соответствует «пачка» импульсов. В общем случае при дискретной модуляции модулирующий сигнал может иметь несколько градаций Μ = 2, 3, 4 и выше. При числе градаций Μ = 2 модулирующим сигналом являются двоичные символы «0» или «1». Такую дискретную модуляцию называют манипуляцией.

При ДМ определяется разность значений сигнала в текущий и предыдущий моменты времени, после чего эта разность представляется двумя уровнями:

– «+1» при положительной разности;

– «−1» при отрицательной разности.

В РЭС применяются следующие виды дискретной модуляции с гармоническим (синусоидальным) несущим колебанием:

дискретная амплитудная модуляция (ДАМ);

дискретная частотная модуляция (ДЧМ);

дискретная фазовая модуляция (ДФМ);

относительная фазовая модуляция (ОФМ);

квадратурная амплитудная модуляция (КАМ);

амплитудно-фазовая модуляция (АФМ);

дискретная частотная модуляция с непрерывной фазой (ДЧМНФ);

дискретная частотная модуляция с минимальным сдвигом (ММС).

В НРЭС также применяются:

линейная частотная модуляция (ЛЧМ), в которой частота РЧ РИ изменяется во времени по линейному закону;

– фазо-коммутированная модуляция (ФКМ), при которой фаза РЧ РИ изменяется во времени скачками, обычно одинаковыми (см.рис.3.6).

 

5.2.3.2. Амплитудная модуляция

 

При АМ амплитуда несущего высокочастотного колебания UmaxРЧ изменяется по закону управляющего НЧ сигнала, например, синусоидального (см.рис.5.9,а). Для такого случая, на основании формулы (3.6), можно записать:

 

РЧ = ŨmaxРЧ ·sin(2πFРЧ·t̃); (5.12)

maxРЧ = ŨНЧ + U0РЧ = UmaxНЧ ·sin(2πFНЧ·t̃) + U0РЧ, (5.13)

где: U0РЧ максимальная амплитуда РЧ сигнала при отсутствии модуляции;

UmaxНЧ максимальная амплитуда НЧ модулирующего сигнала.

Подставив выражение (5.13) в (5.12), получим формулу для АМ РЧ сигнала при модуляции одним тоном:

 

АМ = [Umax НЧ ·sin(2πFНЧ·t̃)+ U0РЧ ]·sin(2πFРЧ·t̃)=

= UmaxНЧ ·sin(2πFРЧ) sin(2πFНЧ·t̃)+ UоРЧ ·sin(2πFРЧ·t̃)=

= 0,5UmaxНЧ cos2π(FРЧ – FНЧ) t̃ – 0,5Umax НЧ cos2π(FРЧ + FНЧ) t̃ +

+ U0РЧ ·sin(2πFРЧ·t̃). (5.14)

 

Из выражения (5.15) следует, что рассматриваемый АМ сигнал будет содержать три гармоники с частотами FРЧ (FРЧ FНЧ) и (FРЧ+FНЧ) при соответствующих величинах амплитудРЧ и 0,5UmaxНЧ (рис. 5.11).

Отношение МАМ=UmaxНЧ/U0РЧ называется индексом АМ.

Из рис.5.11 видно, что модулирующий НЧ сигнал (с частотой FНЧ) в результате модуляции переносится в область радиочастот (FРЧ). Спектр модулированного колебания содержит несущую FРЧ и две боковые частоты — верхнюю с частотой FРЧ + FНЧ и нижнюю с частотой FРЧ FНЧ.

При использовании сложного модулирующего сигнала, в спектре модулированного сигнала будут присутствовать (рис. 5.12) два зеркальных спектра (две боковых полосы частот) модулирующего ЭК — нижняя, с полосой частот от (FРЧ –FmaxНЧ) до (FРЧ – FмinНЧ) и верхняя, с полосой от (FРЧ+FmaxНЧ) до (FРЧ+FмinНЧ). Таким образом, спектр сложного АМ РЧ сигнала сосредоточен около несущей частоты FРЧ и занимает полосу 2FmaxНЧ. Информация модулирующего сигнала содержится в каждой из боковых полос.

АМ характеризуется простотой технической реализации, но имеет низкую помехоустойчивость.

5.2.3.3. Угловая модуляция

 

Поскольку величины фазы и частоты взаимосвязаны соотношением (3.5), значение фазы несущего колебания будет изменяться как при ЧМ, так и при ФМ, т. е. внешне (на АВГ) ЧМ и ФМ похожи. Поэтому эти виды модуляции объединяют общим названием - угловая модуляция (так названа т.к. изменяется величина φ, измеряемая в градусах или радианах, как и углы).

При ЧМ по закону модулирующего сигнала изменяется частота несущего колебания около среднего значения F0РЧ. Максимальное отклонение FmaxРЧ от F0РЧ называют девиацией частоты. Величину МЧМ = =|FmaxРЧ F0РЧ|/F0РЧ называют индексом частотной модуляции.

При малом значении МЧМ спектр ЧМ-колебания состоит практически из трех гармоник, как и при однотоновой АМ. Такой случай называется узкополосной ЧМ.

Альтернативная широкополосная ЧМ характеризуется величиной МЧМ больше единицы и обладает широким спектром сигнала, причем, чем больше величина МЧМ, тем больше гармоник приходится учитывать, определяя полосу ЧМ-сигналов. В случае однотоновой ЧМ частотой FНЧ полосу частот спектра ЧМ-колебания можно оценивать величиной ЧМFНЧ. На практике, как правило, используется широкополосная ЧМ, в связи с чем спектр ЧМ-сигнала заметно шире спектра АМ-сигнала и поэтому ЧМ используют только в диапазоне УКВ, где относительная ширина спектра ЧМ-сигнала становится не очень большой и могут применяться избирательные УВЧ.

ЧМ обладает большей помехоустойчивостью по сравнению с АМ, но более сложна в технической реализации. Это объясняется тем, что при воздействии помех на вход ПРМ происходят наиболее заметные случайные искажения амплитуды сигнала, а искажения его частоты и фазы менее выражены. Наибольшей помехоустойчивостью обладают ФМ-сигналы, однако техническая реализация ФМ довольно сложна, кроме того, в фазовом модуляторе существует явление набега фазы, сбивающее требуемую синфазность работы его устройств.

 

5.2.3.4. Модуляция двоичными сигналами – манипуляция

При передаче кодированных сообщений модулирующие сигналы представляют собой последовательность прямоугольных ВИ и пауз (или импульсов противоположной полярности). В этом случае модулируемый параметр несущего колебания принимает одно из двух фиксированных значения, такую разновидность модуляции называют манипуляцией, при этом различают амплитудную, частотную и фазовую манипуляции.

В системах с амплитудной манипуляцией (Amplitude Shift Keying) амплитуда РЧ несущей изменяется в зависимости от того, имеется на входе модулятора «– 1» или «0». Например, двоичной «1» может соответствовать РИ с заданной амплитудой несущей, а двоичному «0» — нулевая амплитуда (отсутствие ЭК). Такие сигналы называют сигналами с пассивной паузой. При приеме этих сигналов возникают проблемы с их обнаружением на фоне помех, так как в процессе распространения сигналы ослабевают и их уровень может оказаться соизмеримым с уровнем помех. Поэтому амплитудная манипуляция имеет низкую помехоустойчивость, т. е. высокую вероятность ошибочной регистрации двоичных сигналов.

В системах с частотной манипуляцией (Frequency Shift Keying) осуществляется изменение частоты несущей в соответствии с поступившим цифровым сигналом. Например, двоичной «1» соответствует более низкая частота по сравнению с частотой несущей, двоичному «0» — более высокая. Формирование этих частот осуществляется сдвигом несущей частоты «вверх» или «вниз” на некоторую величину (например, на ±85 Гц в диапазоне КВ, или на ±400 Гц в диапазоне УКВ). Такие сигналы называют ортогональными сигналами.

Частотная манипуляция обладает с более высокой помехоустойчивостью по сравнению с амплитудной, так как при ней изменение амплитуды сигнала из-за помех несущественна для правильного приема.

В системах с фазовой манипуляцией (Phase Shift Keying) фазовый сдвиг несущего РЧ колебания изменяется в зависимости от поступившего двоичного НЧ сигнала. Для лучшего различения фазоманипулированных сигналов сдвиг фаз между сигналами «1» и «0» выбирают наибольшим,
т. е. равным p. Такие сигналы называют противоположными.

Спектры манипулированных сигналов по своей структуре не отличаются от спектров модулированных колебаний, они содержат РЧ несущую и две боковые полосы.

 

5.2.3.5. Однополосные сигналы

 

Спектр сложного АМ сигнала показывает, что заложенная в него модулирующим сигналом информация содержится в каждой боковой полосе (см.рис.5.9), при этом несущая частота FРЧ известна на принимающей стороне (это частота настройки ПРМ) и не несет информации в передаваемом сигнале. При максимальном значении коэффициента модуляции М=1 мощность боковой составляющей АМ сигнала не превышает 25 % от мощности несущей, т. е. основная доля мощности приходится на несущее РЧ ЭК. Поэтому целесообразно использовать возможность улучшения энергетических показателей ПРД путем подавления в нем напряжения несущей частоты. Кроме того, также можно уменьшить полосу частот РЧ сигнала исключением одной из боковых полос (целесообразнее — верхней, как более высокочастотной). Такие однополосные сигналы называют сигналами с одной боковой полосой (ОБП). Переход на однополосные сигналы позволяет получить выигрыш в мощности ПРД в 4–8 раз.

Предыдущая статья:Передающие терминалы Следующая статья:Приемники
page speed (0.0372 sec, direct)