Устройство и принцип работы радиостанций
Пояснение второго учебного вопроса осуществляется с использованием учебных лабораторных установок по теории электрической связи. Студенты уясняют назначение основных блоков радиопередающей части радиостанции, заносят в конспекты характерные рисунки сигналов, поясняющих принцип действия передатчика. Преподаватель подводит итог изучения передающей части радиостанции, поясняет особенности конструкции и схемы радиопередатчика.
Основные процессы формирования и преобразований сигналов осуществляется в радиопередатчике и радиоприемнике. Радиопередающее устройство радиостанции последовательно выполняет следующие основные функции:
формирование высокочастотных колебаний;
модуляцию высокочастотных колебаний информационным сигналом;
перенос сигнала на необходимую частоту передачи;
усиление сигнала до необходимой мощности;
передачу радиосигнала в антенно-фидерный тракт.
Рассмотрим процесс передачи речевого сообщения (рис. 3а). Для преобразования звуковых колебаний в электрический сигнал служит микрофон, установленный на входе передающего устройства. С микрофона поступают слабые сигналы, для усиления которых используют усилитель низкой частоты. Усиление производится по амплитуде без изменения частотного состава сигнала. Низкочастотные колебания не могут распространяться на большие расстояния, какой бы мощностью они не обладали, поэтому для передачи информации используют высокочастотные колебания. Процесс наложения сигналов низкой частоты на высокочастотные колебания осуществляется в модуляторе. В качестве генератора используют, как правило, кварцы с резонансной частотой 12-15 МГц (настройка кварца осуществляется при выборе оператором номера рабочего канала). Увеличение частоты модулированного сигнала осуществляется в специальных каскадах, называемых умножителями частоты. В реальных схемах для обеспечения излучения в заданном диапазоне общий коэффициент умножения равен 12.
В связи с тем, что после различных процессов преобразования возникает много побочных частот, в схему введен фильтр высокой частоты, настроенный на частоту передачи радиостанции, уменьшающий уровень побочных излучений. Для обеспечения требуемой выходной мощности высокочастотный модулированный сигнал поступает на усилитель высокой частоты. С выхода усилителя сигнал по фидерной линии (или непосредственно) поступает в антенну, где происходит излучение радиоволн.
а)
б)
Рис. 3. Структурная схема радиостанции: ЗГ – задающий генератор, М – модулятор, Умн – умножитель частоты, ФВЧ – фильтр высоких частот, УВЧ – усилитель высоких частот, УМ – усилитель мощности, СМ – смеситель сигналов, ФПЧ – фильтр промежуточной частоты, УПЧ – усилитель промежуточной частоты, Д – демодулятор, Г – гетеродин, ОКУ – оконечное устройство
Радиоволны, пересекая приемную антенну радиостанции другого абонента, наводят в ней ЭДС электрических сигналов, которые поступают на входные цепи радиоприемника. Большинство современных радиоприемников собраны по супергетеродинной схеме (рис. 3б). Принцип работы супергетеродинного приемника основан на последовательном понижении частоты сигнала с помощью специальных устройств (преобразователей) с усилением и селекцией сигнала на промежуточных частотах. Данная схема позволяет вести успешную борьбу со специфическими помехами, присущими радиосвязи (помеха по соседнему каналу или помеха по зеркальному каналу). Радиоприемное устройство радиостанции последовательно выполняет следующие основные функции:
выделение полезного сигнала;
преобразование высокочастотного сигнала в сигнал промежуточной частоты;
последовательное усиление высокочастотных сигналов и сигналов промежуточной частоты;
демодуляцию (детектирование) сигнала промежуточной частоты;
выведение низкочастотного сигнала на оконечное устройство.
Во входных цепях осуществляется выделение полезного сигнала и первичное его усиление по амплитуде. Эти функции выполняют соответственно фильтр и усилитель высокой частоты. Далее высокочастотный модулированный сигнал поступает на преобразователь, состоящий из смесителя и маломощного вспомогательного генератора электрических колебаний – гетеродина. На смеситель воздействуют два колебания разной частоты: от гетеродина(fг) и с выхода усилителя (полезный сигнал – fc ). В смесителе эти сигналы накладываются друг на друга, создавая при этом множество различных составляющих частот, определяемых формулой:
fпч = n · fc ± m · fг ,
где «m» и «n» - целые числа (1, 2, 3, и т.д.)
Эта совокупность частот поступает на фильтр, настроенный на разностную частоту (при m = n = 1). Эта частота называется первой промежуточной. Далее сигнал поступает на усилитель промежуточной частоты, где осуществляется основное усиление сигнала. Затем сигнал промежуточной частоты поступает на вторую ступень преобразования, аналогичную первой. Двойное преобразование сигнала позволяет добиться необходимой избирательности приемника. С выхода второго усилителя промежуточной частоты сигнал поступает в демодулятор, где осуществляется выделение исходного низкочастотного колебания, формируемого микрофоном при передаче. Затем низкочастотный сигнал поступает на усилитель низкой частоты, который производит усиление сигнала по амплитуде до величины, необходимой для нормальной работы динамика (громкоговорителя). В динамике электрический сигнал преобразуется в звуковые колебания.
Современные технологии в значительной степени изменили элементную и функциональную базу построения радиостанций. Большинство каскадов современных радиостанций выполняется на микросхемах. В качестве задающего генератора в передатчике и гетеродина в приемнике в основном применяются цифровые синтезаторы частот. Для обеспечения устойчивости работы в схемах радиостанций используется автоматическая регулировка усиления (АРУ) и автоматическая подстройка частоты (АПЧ), осуществляемые цифровыми методами обработки сигналов. Эти функции, наряду с функциями программирования, реализуются с помощью микропроцессора, обеспечивающего в целом оптимальное качество связи.
В цифровых системах радиосвязи в основном используется импульсно-кодовая модуляция. Для аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования в схему радиостанций введен кодек (КОдер/ДЕКодер).
Радиостанции, используемые в пожарно-спасательных подразделениях, предназначены для организации диспетчерской радиосвязи и связи на месте ЧС (пожара). Они обеспечивают беспоисковое вхождение в связь, а также позволяют осуществлять бесподстроичное ведение двухсторонней подвижной радиотелефонной связи в симплексном или полудуплексном режиме, что особенно удобно, когда необходимо быть постоянно «на связи», когда важно контролировать ситуацию или обеспечивать безопасность.
Технической основой систем радиосвязи служат многоканальные радиокомплексы. Радиокомплекс – это совокупность радиотехнических средств, взаимодействующих в общем для всего оборудования диапазоне частот и имеющих техническую (конструктивную и функциональную) совместимость различных устройств.
Современные радиокомплексы включают в себя несколько типов радиостанций (стационарные, мобильные, носимые). Кроме того, в состав комплексов могут входить усилители мощности, пульты дистанционного управления, антенное и ретрансляционное оборудование, зарядные и питающие устройства, различные аксессуары. Существуют специальные радиомодемы, предназначенные для передачи данных по радиоканалу. В маломощных радиостанциях радиопередатчик и радиоприемник объединены в один блок, именуемый приемопередатчиком. Для работы приемопередатчиков радиостанций в телефонных сетях разработаны специальные телефонные интерфейсы и микротелефонные трубки (или гарнитуры).
Стационарные (базовые) радиостанции предназначены для установки в помещениях (устанавливаются на стационарных пунктах связи) и имеют наиболее полный набор функциональных возможностей. Разговорные устройства в стационарных вариантах выполняются в виде телефонных гарнитур, настольных микрофонов, динамиков, микротелефонных трубок с тангентой и т.д. Базовые радиостанции комплектуются антеннами, установленными достаточно высоко над уровнем земли, поэтому антенну с приемопередатчиком соединяют кабелем.
Мобильные радиостанции, применяются на различных типах транспортных средств. Эти радиостанции питаются от бортовых источников напряжением 12/24В. Разговорные устройства в возимых и стационарных вариантах практически аналогичны.
Носимые радиостанции в основном используются на месте пожара и других ЧС. Предназначены они для осуществления связи при пешем передвижении.
Особенности размещения стационарных радиостанций. Установку блока приемопередатчика нужно производить так, чтобы длина фидерной линии была минимальной и были минимальны потери энергии. Для этого используют дистанционное управление радиостанциями: приемопередатчик устанавливается рядом с антенной, а пульт управления может располагаться от приемопередатчика на расстояние несколько сотен метров. Передача низкочастотных сигналов управления на такие расстояния не оказывает влияния на мощность выходного радиосигнала.
Антенну рекомендуется устанавливать на господствующей высоте (от этого зависит дальность радиосвязи) на удалении от окружающих предметов не менее 10 метров, обеспечив круговую диаграмму направленности антенны. При отсутствии рядом с пунктом связи высоких строений применяют специальные мачтовые устройства. Для устранения взаимного влияния нескольких антенн их рекомендуется разнести по высоте на 3-5 метров или по горизонтали на 25-50 метров.
Для работы в городских условиях следует учитывать электромагнитную совместимость различных средств радиосвязи.
Для защиты операторов и аппаратуры связи от грозовых разрядов все металлические конструкции антенно-мачтовых устройств и корпусов радиостанций должны быть надежно заземлены. Конец кабеля, подключенный к антенне, должен быть гидроизолированным.
Требуемая дальность связи, зависящая от высоты поднятия антенн, достигается применением мачтовых сооружений.
Антенны мобильных радиостанций устанавливаются на крышах транспортных средств, где обеспечивается относительно круговая диаграмма направленности. Максимальную дальность радиосвязи мобильные радиостанции обеспечивают вдоль оси автомобиля. Блоки приемопередатчиков, а также пульты управления, устанавливаются в местах, защищенных от дождя и брызг. Во время движения в тоннелях, вблизи высотных зданий или линий электропередач может наблюдаться снижение слышимости или же прекращение связи.
При работе с носимой радиостанцией выбор места работы оператора должен производится с учетом распространения волн УКВ диапазона, которые, встречая на своем пути препятствия, отражаются и поглощаются.
Таким образом, зная законы распространения радиоволн и особенности применения радиостанций, можно добиться устойчивой связи в пределах технических характеристик радиостанций.
ЗАДАНИЕ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ
Для самостоятельной работы по дисциплине студентам предлагается тема «Изучение видов радиосвязи». В рамках изучения этой темы необходимо усвоить классификацию видов радиосвязи по назначению, способу передачи, типу передаваемых сообщений и др. Необходимо зафиксировать в рабочих тетрадях сущность и отличительные особенности каждого вида связи.
При изучении этой темы следует руководствоваться следующей литературой: [1] стр. 49-57, 61-68, [2] стр. 14-23, [3] стр. 109-210.
ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В заключительной части занятия преподаватель оценивает результаты работы студентов, качество оформления рисунков осциллограмм с указанием числовых значений расчетов характеристик электрических сигналов, зафиксированных в рабочих тетрадях, а также подводит общий итог практического занятия, отмечает наиболее активно работающих на занятии студентов.