Тема: «Основы радиосвязи»

ОП.06 Автоматизированные системы управления и связь

Занятие №12. «Структура и основные элементы радиосвязи. Радиоволны»

Радиосвязь – вид связи, осуществляемой посредством радиоволн, т. е. это обмен сообщениями между двумя и более абонентами с помощью элек­трических сигналов, переносимых через пространство радиоволнами. В основе радиосвязи лежит преобразование электрической энергии высокой частоты в электромагнитные колебания (радиоволны) радиопередатчиком, распространение их в пространстве и обратное преобразование радиоприем­ником электромагнитных колебаний (радиоволн) в электрические колебания. И зависимости от формы сообщений различают телефонную, телеграфную и телевизионную радиосвязь.

На рис. 12.1 показана структурная схема радиосвязи.

Рис. 12.1. Структурная схема радиосвязи

Микрофон (М) преобразует звуковые колебания речи в электрические колебаниятока звуковой (низкой) частоты. Одним из основных блоков радиопередатчика является задающий генератор (ЗГ) (или генератор высокой частоты), преобразующий энергию постоянного тока (специального источникапитания) в энергию колебаний токов высокой частоты (ВЧ). Усилен­ным в усилителе низкой частоты (УНЧ) ток звуковой частоты поступает на модулятор (Мод), воздействуя на один из параметров (амплитуду, частоту или фазу) тока высокой частоты, вырабатываемого задающим генераторомВ результате в антенну передатчика подаются токи высокой частоты (радиочастоты), изменяющиеся по амплитуде, частоте или фазе в соответствии с передаваемыми звуковыми колебаниями первоначального сообще­ния процесс воздействия на один из параметров ВЧ-сигнала по закону изменения передаваемого первоначального сообщения называется модуляцией соответственно амплитудной, частотной или фазовой.

Токи высокой частоты, проходя по антенне передатчика, образуют вокруг нее электромагнитное поле. Электромагнитные волны (радиоволны) отделяют­ся от антенны и распространяются в пространстве со скоростью 300 000 км/с.

С помощью специальных форм и конструкций передающих антенн добиваются направленного излучения радиоволн, т. е. излучения в сторону приемной радиостанции. Так как радиоволны представляют собой модули­рованные токи высокой частоты, то и сами они как бы переносят передава­емые звуковые колебания (первоначального сообщения).

В приемной антенне радиоволнами (электромагнитным полем) наво­дится ЭДС радиочастоты, создающая модулированный ток ВЧ, который в точности повторяет все изменения тока в передающей антенне. Токи высо­кой частоты от приемной антенны по фидерной линии подаются на изби­рательный усилитель высокой частоты (УВЧ). Избирательность обеспечи­вается резонансным контуром. Обычно он состоит из параллельно включенных катушки индуктивности и конденсатора, образующих парал­лельный колебательный контур, который имеет резонанс тока на частоте электромагнитных колебаний, излучаемых передатчиком. К передатчикам радиостанций, работающих на других частотах, данный радиоприемник практически нечувствителен.

Усиленный сигнал подается на детектор (Дет), преобразующий приня­тые сигналы ВЧ в токи звуковых колебаний, изменяющиеся подобно токам звуковой частоты, создаваемым микрофоном на передающем пункте. Такое преобразование называется детектированием (демодуляцией). Полученный после детектирования ток звуковой или низкой частоты (НЧ) обычно еще усиливается в УНЧ и передается на громкоговоритель (Гр), который преоб­разует этот ток НЧ в звуковые колебания.

Радиосвязь бывает одно- и двухсторонней. При односторонней радио­связи одна из радиостанций осуществляет только передачу, а другая (или другие) только прием. При двухсторонней радиосвязи радиостанции осу­ществляют одновременно передачу и прием.

Симплексная радиосвязь – это двухсторонняя радиосвязь, при которой каждый абонент ведет только передачу с помощью микрофона (М) или только прием с помощью телефона (Т) поочередно, выключая свои пере­датчик на время приема (рис. 12.2). Для симплексной связи достаточно од­ной радиочастоты (одночастотная симплексная радиосвязь). Каждая ра­диостанция имеет одну антенну, которая при приеме и передаче переключается соответственно на вход приемника (Пр) или на выход пере­датчика (Пер).

Симплексная радиосвязь используется, как правило, при наличии от­носительно небольших информационных потоков. Для радиосетей с боль­шой нагрузкой характерна дуплексная радиосвязь.

Рис. 12.2. Структурная схема симплексной радиосвязи

Рис. 12.3. Структурная схема дуплексной радиосвязи

Дуплексная радиосвязь – это двухсторонняя радиосвязь, при которой прием и передача ведутся одновременно. Для дуплексной радиосвязи тре­буются две разные несущие частоты, а передатчики и приемники должны иметь свои антенны (рис. 12.3). Кроме того, на входе каждого приемника устанавливают специальный фильтр (дуплексер), не пропускающий колебаний радиочастоты собственного передатчика. Достоинствами дуплекс­ной радиосвязи являются ее высокая оперативность и пропускная способ­ность радиосети.

Радиосвязь имеет следующие преимущества перед проводной связью: быстрое развертывание на любой местности и в любых условиях; высокая оперативность и живучесть радиосвязи; возможность передачи различных сообщений любому количеству абонентов циркулярно, избирательно или группе абонентов; возможность связи с подвижными объектами.

Излучение и распространение радиоволн. Электромагнитные волны излучаются проводником, по которому проходит ток высокой частоты. Всякий провод обладает собственными индуктивностью и емкостью, распределенными по его длине, а поэтому является своеобразным колеба­тельным контуром.

Напряжением в какой-либо точке антенны принято называть разность потенциалов между данной точкой и точкой, расположенной симметрично ни другой половине провода.

Открытый контур в виде прямолинейного провода, в котором могут происходить электрические колебания, называют симметричным вибра­тором или просто вибратором (диполем).

В простейшем случае антенное устройство для длинных, средних, а иногда коротких волн может быть выполнено так, как показано на рис. 12.4.

Над землей на некоторой высоте (чем выше, тем эффективнее излучение) подвешивается антенна – провод или система проводов, играющая роль одной обкладки конденсатора. Второй обкладкой является земля или вто­рой провод – противовес, подвешенный невысоко над землей. Соединение антенны с противовесом осуществляется через катушку связи L св. При этом С А является емкостью антенны.

Рис. 12.4. Антенное устройство с заземлением (а) и противовесом (б)

На рис. 12.5 приведено графическое изображение радиоволн в виде двух синусоид, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Рис. 12.5. Графическое изображение электромагнитной волны

Рис. 12.6. Схемы удлинения (а) и укорочения (б) длин радиоволн собственных колебаний антенн

Векторы электрического поля E расположены в вертикальной плос­кости, а векторы магнитного поля H – в горизонтальной, причем эти век­торы перпендикулярны вектору П, называемому вектором Умова–Пойнтинга. Направление вектора П совпадает с направлением распространения электромагнитных волн, а его длина в принятом масштабе соответствует количеству электромагнитной энергии, которую переносят радиоволны.

Максимальная мощность, излучаемая антенной, может быть достигнута мри условии равенства частоты генератора и частоты собственных колебаний открытого контура (антенны). Именно по этой причине радиостанции, рабо­тающие в диапазоне длинных волн, нуждаются в длинных антеннах.

На практике для удлинения электромагнитной волны собственных ко­лебаний антенны в нее последовательно включают катушку, что равносиль­но увеличению длины провода (рис. 12.6, а). Последовательно включенный в антенну конденсатор переменной емкости С _п вызовет укорочение собственной длины электромагнитной волны антенны, так как при последовательном включении емкостей общая емкость уменьшается (рис. 12.6, б).

На прохождение электромагнитных волн, используемых для связи на земной поверхности, оказывают влияние рельеф поверхности земли и электрические свойства грунта, а также свойства самых нижних слоев атмосферы (тропосферы) и верхних ионизированных слоев атмосферы (ионосферы).

Кроме того, радиоволны поглощаются твердыми диэлектриками, по­лупроводниками и проводниками при встрече с ними.При распространении радиоволны (особенно в городах) поглощаются не только землей, но и металлическими крышами, железобетонными и другими электропроводящими сооружениями. Радиоволны при встречес электропроводящими телами способны отражаться. Физический смысл отражения радиоволн заключается в том, что падающая радиоволна созда­ет в поверхностном слое отражающего тела токи, которые дают излучение новых, т. е. отраженных, радиоволн.

Таким образом, радиоволны, распространяющиеся от передающей ан­тенны к приемной, ослабевают по мощности из-за поглощения землей, по­глощения и отражения другими препятствиями.

Радиоволны различных радиопередатчиков могут накладываться (складываться) друг на друга в точке приема. Именно по этой причине в приемнике прослушиваются писки, свисты, гудение и т. д. Явление сложе­ния двух или нескольких радиоволн называют интерференцией. Интерфе­ренция радиоволн от одного и того же передатчика ввиду разницы фаз приходящих радиоволн приводит к усилению или ослаблению результи­рующей радиоволны в точке приема, а следовательно, и к изменению вы­ходного сигнала приемника (в частности, к изменению громкости звучания речи при телефонной радиосвязи).

В соответствии с международным регламентом радиосвязи радиовол­ны занимают полосу электромагнитных частот от 3∙10³ до 30∙10¹² Гц и делятся на девять диапазонов (табл. 12.1).

Радиоволны длиной от 10 до 1 км называют длинными волнами (ДВ), от1 км до 100 м – средними (СВ), от 100 до 10 м – короткими (КВ), менее 10 м – ультракороткими (УКВ).

Таблица12.1 – Диапазоны радиоволн

Длинные волны имеют поверхностное распространение. Достоинством длинных волн является то, что дальность их действия в течение дня и ночи, лета и зимы меняется мало. Связь на длинных волнах находит ограниченное применение, так как для связи на большие расстояния тре­буются мощные радиопередатчики. Кроме того, в диапазоне длинных волн невозможна одновременная работа большого числа радиостанций.

Средние волны используются для радиовещания, телеграфной и теле­фонной радиосвязи. Короткие волны могут использоваться как для связи на небольших, так и на больших (несколько тысяч километров) расстояниях.

Ультракороткие волны широко используются в радиосвязи, телевиде­нии, радиолокации, радионавигации, в том числе в радиосвязи пожарной охраны. Эти волны, как правило, не отражаются от ионосферы. Поэтому связь на них осуществляется только за счет поверхностной волны. Для ра­диосвязи в УКВ-диапазоне необходимо обеспечение прямой видимости между передающей и приемной антеннами. Дальность радиосвязи на по­верхности земли составляет 40-60 км и возрастает с подъемом антенн. Влияние атмосферной рефракции (искривление пути распространения ра­диоволн в неоднородной среде воздуха) приводит к заметному увеличению прямой видимости и, следовательно, к увеличению дальности радиосвязи.

Сантиметровые и миллиметровые волны применяются в радиорелейной связи, радиолокации и для других специальных целей. Они распространяют­ся практически прямолинейно и сильно поглощаются влажной средой.

Вопросы и задания

1. Что понимают под радиосвязью и что лежит в ее основе?

2. Какая бывает радиосвязь в зависимости от формы сообщений?

3*. Нарисуйте структурную схему радиосвязи. **Опишите как работает данная схема.

4. Что понимают под симплексной и дуплексной радиосвязью? *Как применяются данные виды связи?

5. Каковы преимущества радиосвязи?

6. Что является антенным устройствомв простейшем случае? (Допустимо изобразить рисунком с описанием).

7. Что применяют на практике для удлинения электромагнитной волны собственных ко­лебаний антенны? (Допустимо изобразить рисунком с описанием).

8. Что и каким образом оказывают влияние на прохождение электромагнитных волн, используемых для связи на земной поверхности?

9. Почему в приемнике прослушиваются писки, свисты, гудение и т. д.?

10. Что называют интерференцией *и к чему она приводит?

11*. Выполните таблицу следующей формы: