Вокруг нас сложный мир электромагнитных волн различных частот: излучения мониторов компьютеров, сотовых телефонов, микроволновых печей, телевизоров и др. В настоящее время все электромагнитные волны разделены по длинам волн на шесть основных диапазонов.
Радиоволны - это электромагнитные волны (с длиной волны от 10000 м до 0,005 м), служащие для передачи сигналов (информации) на расстояние без проводов. В радиосвязи радиоволны создаются высокочастотными токами, текущими в антенне.
Электромагнитные излучения с длиной волны, от 0,005 м до 1 мкм, т.е. лежащие между диапазоном радиоволн и диапазоном видимого света, называются инфракрасным излучением. Инфракрасное излучение испускают любые нагретые тела. Источником инфракрасного излучения служат печи, батареи, электрические лампы накаливания. С помощью специальных приборов инфракрасное излучение можно преобразовать в видимый свет и получать изображения нагретых предметов в полной темноте.
К видимому свету относят излучения с длиной волны примерно 770 нм до 380 нм, от красного до фиолетового цвета. Значение этого участка спектра электромагнитных излучений в жизни человека исключительно велико, так как почти все сведения об окружающем мире человек получает с помощью зрения.
Невидимое глазом электромагнитное излучение с длиной волны меньше, чем у фиолетового цвета, называют ультрафиолетовым излучением. Оно способно убивать болезнетворные бактерии.
Рентгеновское излучение невидимо глазом. Оно проходит без существенного поглощения через значительные слои вещества, непрозрачного для видимого света, что используют для диагностики заболеваний внутренних органов.
Гамма-излучением называют электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными ядрами и возникающее при взаимодействии элементарных частиц.
Принцип радиосвязи
Колебательный контур используют как источник электромагнитных волн. Для эффективного излучения контур "открывают", т.е. создают условия для того, чтобы поле "уходило" в пространство. Это устройство называется открытым колебательным контуром - антенной.
Радиосвязью называется передача информации с помощью электромагнитных волн, частоты которых находятся в диапазоне от 
до 
Гц.
Лекция №6 4. Основы радиосвязи
4.1. Понятие о радиотракте, его основные свойства
Для передачи по радиотракту сообщение преобразовывается в первичный электрический сигнал. В зависимости от характера сообщения первичные сигналы могут быть непрерывными или дискретными.
Непрерывные сигналы принимают любые значения по состояниям в некотором интервале. Типичным примером непрерывных сигналов являются аудио- и видеосигналы телевидения: их амплитуда непрерывно меняется во времени в пределах ±Umах.
Дискретные сигналы принимают конечное число вполне определенных
значений по состоянию. Наиболее общим примером дискретных сигналов могут служить применяемые в цифровой технике сигналы с двумя уровнями - логическая единица и логический ноль.
Первичный электрический сигнал имеет низкочастотный характер: он может быть непосредственно переданным по проводным линиям связи, но не может эффективно излучать в среду распространение радиоволн, поскольку очень сложно создать излучатели, соизмеримые с длиной волны сигнала. Следовательно, для передачи по радио первичный сигнал должен быть преобразован в высокочастотный. С этой целью используются высокочастотные гармонические колебания, один или несколько параметров которых (амплитуда, частота или фаза) подвергаются модуляции, т.е. изменению, прямо пропорциональному значениям первичного сигнала. Модуляцию высокочастотных колебаний дискретными сигналами обычно называют манипуляцией.
Радиотракт образуется совокупностью технических средств и среды распространения радиоволн, по которой обеспечивается передача радиосигнала на расстояние. Радиотракт характеризуется некоторыми особенностями.
Во-первых, он может обладать очень большим затуханием, достигающим нередко 140-160 дБ. Приемная аппаратура должна иметь коэффициент усиления не меньше 1010~~1014 по мощности и 105~107 по напряжению.
Во-вторых, затухание радиотракта оказывается переменным в широких пределах. Напряженность поля электромагнитной волны в точке приема обратно пропорциональна квадрату длины пути, совершенного ею. Поэтому изменение уровня сигнала на входе приемной части радиотракта в результате изменения расстояния ведения радиосвязи может достигать 100 -
120 дБ. Большие изменения уровня сигнала наблюдаются при ведении радиосвязи между подвижными объектами, если используются ультракороткие волны, распространение которых существенно зависит от рельефа местности.
В-третьих, затухание радиотракта оказывается переменным в силу изменчивости параметров земной атмосферы. Это изменение наблюдается в большей степени в диапазоне коротких волн при ведении связи отраженными от ионосферы волнами.
В-четвертых, среда распространения радиоволн является общей для всех существующих средств радиосвязи, телерадиовещания, радионавигации и т.д. И это обстоятельство приводит к тому, что потребность в некоторых участках превышает их физическую емкость. Отсюда легко сделать вывод о неизбежности взаимных помех, источники которых могут быть природного или искусственного происхождения. Искусственные помехи могут быть и преднамеренного характера, особенно при ведении военных действий.
В-пятых, радиотракт вносит искажения в передаваемый сигнал из-за ограничения его спектра частот.
Итак, радиотракт (в отличие от проводного канала) характеризуется, с одной стороны, широким диапазоном медленных и быстрых изменений затухания, с другой - действием большого количества помех от внешних источников.
Для того, чтобы ограничить искажение сигналов, передаваемых по радиотракту, последний должен обладать определенными техническими характеристиками, связанными с видами передаваемых сигналов.
Рассмотрим основные из них:
Не обходимая полоса частот - это минимальная полоса частот данного класса радиоизлучения, достаточная для передачи сигнала с требуемой скоростью и качеством. Ширина этой полосы определяется шириной спектра передаваемого радиосигнала и учитывает возможную частотную нестабильность аппаратуры.
А мплитудно-частотная характеристика (АЧХ) - это зависимость амплитуды или уровня сигнала на выходе радиотракта от частоты входного синусоидального сигнала постоянной амплитуды или уровня. Эта характеристика отражает степень влияния радиотракта на амплитудные соотношения составляющих спектра радиосигнала.
Ф азочастотная характеристика (ФЧХ) - это зависимость сдвига по фазе между гармоническими колебаниями на выходе и входе радиотракта от частоты гармонических колебаний на его входе. Искажения отсутствуют, когда все составляющие спектра сигнала на выходе радиотракта запаздывают на одинаковое время.
А м плитудная характеристика (АХ) — это зависимость амплитуды (уровня) сигнала на выходе радиотракта от амплитуды (уровня) сигнала на его входе при неизменной частоте входного сигнала.
Все перечисленные характеристики определяются как аппаратурной частью радиотракта, так и частью, определяемой средой распространения радиоволн.
4.2. Те хника радиотракта и общие принципы его построения
Для передачи радиосигналов по радиотракту в пункте передачи необходимо иметь радиопередающее устройство, а в пункте приема - радиоприемное устройство.
Р а д иопередающее устройство - это техническое устройство, состоящее из радиопередатчика и антенно-фидерной системы и предназначенное для передачи сигнала.
Аналогичное определение можно дать и радиоприемному устройству. Передатчик выполняет три основные функции: во-первых, преобразует
первичный электрический сигнал в высокочастотный сигнал заданного вида, во-вторых, формирует частотный диапазон с заданным числом рабочих частот, и, в-третьих, сообщает радиосигналу заданную мощность за счет местного источника энергии.
Ф идер антенно-фидерного устройства обеспечивает передачу энергии сигнала в антенну, излучающую ее в заданном направлении.
Р а д иоприемное устройство включает в себя антенно-фидер-ное устройство и радиоприемник.
Приемная антенна принимает энергию электромагнитных волн, которая с помощью фидера подводится ко входу приемника.
В приемнике полезный сигнал отделяется от помех, усиливается, преобразуется в первичный электрический сигнал, необходимый для обеспечения работы оконечной аппаратуры.
Комплекс аппаратуры, предназначенный для ведения радиосвязи из
одного пункта, обычно называют радиостанцией (рис. В.1).
Передающа я часть око- нечного устройства
Передатчик АФУ
Среда распростра- нения
Приемная часть око- нечного устройства
Приемник АФУ
Рис. 4.1. Комплекс технических средств радиотракта
Для удобства рассмотрения эксплуатационных возможностей и принципов построения техники радиосвязи прибегают к классификационному делению их по наиболее характерным признакам.
Основные из этих признаков:
1. Назначение - определяет область их возможного применения по дальности действия (ближняя - дальность связи составляет десятки километров, дальняя - от 10 и более километров).
2. Принцип использования - автономные и централизованные радиостанции.
3. Мобильность - определяет степень подвижности средств радиосвязи. Радиостанции могут быть стационарными, т.е. являться оборудованием стационарных приемных и передающих радиоцентров, и подвижными - носимыми и возимыми, смонтированными в подвижных объектах.
4. Диапазон частот - в зависимости от используемого частотного диапазона радиостанции могут быть ультракоротковолновыми, коротковолновыми, средневолновыми и т.д.
5. Виды радиосигналов - телеграф с различными видами манипуляции, телефон с различными видами модуляции, сигналы радио и телевизионного вещания, данные и др.
6. Режим работы - симплексный и дуплексный (симплексный режим предполагает поочередную работу радиостанции на прием и передачу, дуплексный - одновременную (независимую)).
7. Мощность передатчика - один из параметров радиостанции, обеспечивающий определенную степень надежности ведения радиосвязи. Мощность передатчика выделяется из остальных параметров в силу того, что она определяет, в основном, мощность и тип первичного источника тока, габариты радиостанции и ее мобильность. Приемо-передающие радиостанции бывают малой, средней и большой мощности. Условно к маломощным радиостанциям относят радиостанции с мощностью передатчика до 100 Вт, к радиостанциям средней мощности от 100 Вт до 1
кВт и к радиостанциям большой мощности - свыше 1 кВт.
8. Степень автоматизации - радиостанции могут быть неавто- матизированными и автоматизированными. Некоторые современные радиостанции могут автоматически перестраиваться на заранее подготовленные частоты, другие - на любую частоту без предварительной подготовки, т.е. иметь различные степени автоматизации.
4.З. Распространение радиоволн различных частотных диапазонов
Радиоволны, излучаемые из точки передачи, могут распространяться в атмосфере, вдоль поверхности земли, в толще земли и в космосе. При этом различают следующие способы распространения радиоволн.
В однородной или слабо неоднородной среде радиоволны попадают в пункт приема по прямолинейным или близким к ним траекториям. Такие волны будут называться прямыми. Радиосвязь прямой волной (или прямым лучом) может осуществляться лишь при наличии прямой (или геометрической) видимости между антеннами корреспондентов. При расположении антенн корреспондентов вблизи земной поверхности дальность прямой видимости ограничена сферичностью и неровностями рельефа земной поверхности и составляет несколько десятков километров. При радиосвязи на более значительные расстояния радиоволны попадают в пункт приема вследствие дифракции, рефракции, отражения и рассеяния радиоволн. Под дифракцией понимают способность волн искривлять свой путь и огибать препятствие. Дифракция волн наблюдается только тогда, когда размеры препятствий одного порядка с длиной волны. Под рефракцией понимают искривление радиолуча в тропосфере (одной из частей атмосферы) и отклонение его к земле, что ведет к увеличению дальности связи.
Если радиоволны распространяются вдоль земной поверхности, то на всем пути движения происходит поглощение энергии в полупроводящей земле. К этому добавляется ослабление волны из-за дифракции на выпуклости земли. Радиоволны, распространяющиеся вблизи земной поверхности и частично огибающие ее за счет дифракции, будем называть земными радиоволнами. Дальность связи земной волной измеряется сотнями километров и зависит от длины волны, мощности радиопередающего устройства, поляризации волны и электрических параметров поверхности земли.
Радиосвязь, осуществляемая на расстояния до и более 1000 км, может происходить при отражении волны от ионосферы (также составной части атмосферы) и земли. Ионосфера способна отражать радиоволны длиннее примерно 10 м. Радиоволны, распространяющиеся при отражении от ионосферы или рассеянии в ней, будем называть ионосферными волнами.
На распространение радиоволн короче 10 м существенное влияние оказывает тропосфера. Радиоволны, распространяющиеся на расстояния значительно большей дальности прямой видимости за счет рассеяния в тропосфере и ее направляющего действия, называются тропосферными. Практическое значение имеет распространение тропосферной волны на расстояния 600 - 1000 км.
Частоты электромагнитных колебаний, применяемых в современных устройствах радиосвязи, занимают столь обширную область, что условия их распространения существенно различаются. Поэтому радиоволны делят на ряд диапазонов по частотам так, что внутри каждого диапазона природные условия распространения остаются относительно однообразными (табл. В.1). Мириаметровые и километровые волны (СДВ и ДВ) могут распространяться и как земные, и как ионосферные. Наличие земной волны, распространяющейся на сотни и даже тысячи километров, объясняется тем, что напряженность поля этих волн убывает с расстоянием медленно, так как поглощение их энергии земной или водной поверхностью невелико. Глобальные связи на СДВ и ДВ осуществляются ионосферой и земной
поверхностью. СДВ и ДВ обладают свойством проникать в толщу воды, а также свойством распространения в некоторых структурах почвы. Исполь- зование этих волн для ведения связи несколько затруднено. Во-первых, геометрические размеры антенны должны быть соизмеримы с длиной волны, что не всегда выполнимо. Низкую эффективность антенн компенсируют мощностью передатчика (до 100 кВт и более). Во-вторых, рассматриваемые участки диапазона обладают самой низкой частотной емкостью. Практические области применения СДВ и ДВ - это связь с подводными объектами, связь по глобальным магистральным линиям и подземная связь.
Помехи, существенно влияющие на связь, отсутствуют.
Т а б л и ц а В. 1
| № п/п | Наименование участка диапазона радиоволн | Длина волны, м | Наименование участка диапазона радиочастот | Частота, кГц |
| 1 | Мириаметровые или сверхдлинные | 10.000 100.000 | Очень низкие частоты | 3-30 |
| 2 | Километровые или длинные | 1000 10.000 | Низкие частоты | 30-300 |
| 3 | Гектометровые или средние | 100-1000 | Средние частоты | (3-30)-102 |
| 4 | Декаметровые или короткие | 10-100 | Высокие частоты | (3-30)-103 |
| 5 | Метровые | 1-10 | Очень высокие частоты | (3-30)104 |
| 6 | Дециметровые | 0,1-1 | Ультравысокие частоты | (3-30)-105 |
Гектометровые или средние волны (СВ) испытывают большее поглощение при распространении вдоль земной поверхности, чем СДВ и ДВ. Поэтому дальность связи на СВ в дневное время летом всегда ограничена, так как она возможна лишь земной волной. В ночное время летом и в течение большей части суток зимой дальность связи, обеспечиваемой ионосферной волной, резко увеличивается. Антенные устройства для СВ имеют приемлемые габариты. Частотная емкость этого участка диапазона значительно выше, чем
СДВ и ДВ. Средневолновые радиостанции чаще всего применяются в арктических районах как резервные в случае потери связи на коротковолновом диапазоне. Участок СВ широко используется для работы радиовещательных станций.
Декаметровые волны (KB) занимают особое положение. Они могут распространяться и как земные, и как ионосферные волны. Земные волны при относительно небольших мощностях передатчиков мобильных радиостанций распространяются на расстояния, не превышающие нескольких десятков километров, так как они испытывают значительное поглощение в земле. Ионосферные волны из-за многократного отражения от ионосферы при благоприятных условиях могут распространяться на сколь угодно большие расстояния. Частотная вместимость КВ-диапазона значительно больше, чем предшествующих диапазонов, что обеспечивает возможность одновременной работы большого числа радиостанций. Антенны KB радиостанций при относительно небольших габаритах достаточно эффективны. Существенное снижение качества КВ-радиосвязи ионосферными волнами происходит из-за замирания сигналов. Природа замираний в основном сводится к интерференции нескольких приходящих к месту приема по разным траекториям лучей. Существуют и другие причины появления нескольких лучей в точке приема.
Многолучевость в сочетании с флуктуациями параметров ионосферы приводит к тому, что характеристики результирующего поля сигнала в месте приема непрерывно меняются и прием коротких волн сопровождается быстрыми (0,1 - 1 с) и медленными изменениями уровня сигнала на входе приемника - замираниями.
Несмотря на целый ряд причин, приводящих к неустойчивости радиосвязи, она находит широкое применение из-за возможности организации прямой связи на трассах различной протяженности при малых энергетических затратах.
Ультракороткие волны включают в себя ряд участков частотного диапазона, обладающих огромной частотной емкостью. Энергия УКВ сильно
поглощается землей, поэтому земная волна довольно быстро затухает. Для УКВ не свойственно регулярное отражение от ионосферы, следовательно, можно рассчитывать на использование земной волны и волны, распространяющейся в свободном пространстве. Дальность связи поверхностными волнами УКВ диапазона невелика не только в силу большого поглощения их энергии, но и потому что эти волны не обладают выраженными свойствами дифракции, т.е. свойствами огибать неровности рельефа местности.
Поглощение энергии УКВ в земле компенсируется повышением эффективности антенн, так как их размеры становятся того же порядка, что и длина волны. Поэтому при наличии геометрической видимости между пунктами связь может поддерживаться при относительно малой мощности радиостанций. УКВ-диапазон обладает наибольшей частотной емкостью и может использоваться одновременно очень большим числом радиостанций, тем более что дальность взаимного влияния между ними невелика.
Пониженный уровень помех в УКВ-диапазоне позволяет иметь высококачественные каналы передачи информации. Исключительное значение приобретают ультракороткие волны для связи в свободном пространстве между подвижными объектами и в системах
Лекция № 7
Дата: 2018-12-28, просмотров: 361.
