Радиопередающие устройства

Радиопередающее устройство (радиопередатчик - РПД) cлужит для формирования модулированных радиосигналов (рис.6.1). В РПД осуществляются: генерирование гармонических колебаний радиочастотного диапазона (задающим генератором ЗГ), модуляция радиочастотного колебания в соответствии с передаваемым сообщением (с помощью модулятора М), усиление электрических сигналов (усилителем У). Перенос спектра звуковых частот на более высокие частоты необходим для увеличения дальности связи (вплоть до глобальной) и для уменьшения размеров передающей и приемной антенн. Выход РПД соединяется с антенной с помощью специального кабеля - фидера. Существенной частью РПД является согласующее устройство (СУ), которое включается между РПД и антенной. СУ представляет собой набор катушек индуктивностей и конденсаторов. Известно (см. раздел 3), что антенна представляет собой разомкнутый колебательный контур, емкость и индуктивность которого определяется ее размерами. Максимальная эффективность излучения антенны приходится на ее резонансную частоту (длину волны). При изменении рабочей частоты РПД эффективность излучения энергии антенной падает из-за несоответствия резонансной частоте антенны. Для подстройки характеристик антенны под частоту излучаемого сигнала без изменения ее геометрических размеров подключается СУ. Выбор оптимальных значений элементов СУ в современных РПД осуществляется автоматически.

Структура РПД зависит от его назначения. Структурная схема РПД с АМ показана на рис 6.1.

Структурная схема радиопередатчика с амплитудной модуляцией

WA

Настройка на рабочую частоту

Рис.6.1

В РПД с амплитудной модуляцией (рис.6.1) гармонические сигналы радиочастотного диапазона, вырабатываемые задающие генератором ЗГ, после усиления УРЧ подаются на один из входов амплитудного модулятора АМ. На другой вход АМ подаются сигналы от передающего терминала Т, усиленные усилителем звуковых частот УЗЧ. Терминал преобразует сообщение в электрические сигналы (см.раздел 2). В амплитудном модуляторе АМ осуществляется изменение амплитуды радиосигнала по закону сигнала, вырабатываемого терминалом Т. После увеличения мощности модулированных сигналов с помощью усилителя мощности УМ модулированные сигналы через согласующее устройство СУ поступают в антенну WA.

Приведенная схема РПД справедлива для передачи непрерывных сигналов (речи, музыки). При передаче двоичных сигналов роль модулятора выполняет электронный ключ, который подключат или отключает ЗГ (амплитудная манипуляция). Структурная схема РПД с частотной модуляцией показана на рис.6.2.

Структурная схема радиопередатчика с частотной модуляцией

Настройка на рабочую частоту

Рис.6.2

В РПД с частотной модуляцией модулятор воздействует на частоту генерации ЗГ, изменяя ее по закону сигнала.

При передаче двоичных сигналов модулятор дискретно изменяет частоту ЗГ, который вырабатывает одну из двух частот, соответствующих символу 1 или 0.

Основные технические характеристики РПД:

1. Диапазон рабочих частот (радиоволн). В морской радиосвязи используются РПД следующих диапазонов: промежуточных (средних) и коротких волн (ПВ/КВ) с частотами от 1,6 до 27,5 МГц, ультракоротких волн (УКВ) с частотами от 155 до 161 МГц, дециметровых волн в системе спутниковой связи ИНМАРСАТ с частотами от 1625,5 до 1649,5 МГц.

2. Выходная мощность РПД, направляемая в антенну. В зависимости от назначения мощность РПД составляет от долей ватта (РПД сотовой связи) до десятков мегаватт (магистральные РПД). Выходная мощность РПД обеспечивает необходимый уровень сигнала в точке приема, но большая мощность излучения может оказать вредное влияние на членов экипажа, ухудшает электромагнитную обстановку и оказывает мешающее влияние на работу других радиотехнических систем, поэтому вводятся ограничения на максимальную мощность РПД. В судовых радиопередатчиках она составляет: для ПВ-диапазона - 400 Вт, для КВ-диапазона - 1,5 кВт, для УКВ-диапазона - 25 Вт, для спутниковых РПД - 40 Вт.

3.Стабильность частоты РПД. Она характеризует отклонение рабочей (реальной) частоты РПД f_р от номинальной f_н. Количественной оценкой стабильности служит относительная нестабильность (f_н- f_р)/ f_н. В современных РПД эта величина составляет

10^-7…10^-8 и менее.

4. Классы излучения. РПД, используемые в морской радиосвязи, реализуют классы излучения, перечисленные в разделе 2.

Радиоприемные устройства

Радиоприемное устройство (РПМ) служит для преобразования электромагнитных колебаний в сообщения (см.раздел 1.). В РПМ осуществляются усиление сигналов, и их детектирование.

Основные технические характеристики РПМ:

1. Чувствительность РПМ - минимальная величина входного сигнала, при котором обеспечивается нормальная работа оконечного устройства. В современных РПМ чувствительность составляет единицы микровольт.

2. Избирательность РПМ - способность принимать раздельно сигналы от соседних по частоте станций. Избирательность определяется шириной полосы пропускания РПМ.

3. Выходная мощность РПМ - максимально возможная неискаженная мощность усилителя звуковой частоты.

В зависимости от принципа построения различают РПМ прямого усиления и супергетеродинного типа.

Структурная схема РПМ прямого усиления

WA

Рис.6.3

В РПМ прямого усиления (рис.6.3) принимаемый сигнал выбирается с помощью избирательного устройства ИУ (системы двух связанных колебательных контуров, которые выполняют функции полосового фильтра). На эту же частоту настраивается усилитель радиочастоты УРЧ. УРЧ служит для увеличения уровня сигнала, наводимого в антенне. Детектор Д выделяет из модулированного радиосигнала низкочастотную составляющую, содержащую сообщение. После усиления УЗЧ сигнал поступает на приемный терминал, формирующий сообщение (динамик, принтер). Несмотря на простоту технической реализации РПМ прямого усиления в настоящее время практически не используется. Основными его недостатками являются невысокая избирательность и чувствительность, к тому же полоса пропускания приемного тракта изменяется при перестройке частоты. При настройке колебательного контура в ИУ в резонанс с принимаемой частотой путем изменения емкости или индуктивности изменяется полоса пропускания контура. На низких частотах она недостаточна для пропускания спектра сигнала, на высоких - шире спектра сигнала, в результате на РПМ могут поступать сигналы от соседних станций. Для устранения этого недостатка используется РПМ супергетеродинного типа (рис.6.4). Принимаемый сигнал с частотой f_с поступает на преобразователь

Структурная схема РПМ супергетеродинного типа

Настройка на частоту

Рис.6.4

частоты ПЧ, который состоит из гетеродина Гет и смесителя См. Гет является генератором

гармонических сигналов f_г , частоту которого можно изменять. В См происходит смешение частот f_с и f_г, в результате чего получаются суммарная f₊ и разностная (промежуточная) f^_ частоты: f₊ = f_c + f_г, f^_ = f_c - f_г .(используется разностная частота f-, а суммарная частота f₊ фильтруется). Частота Гет изменяется при настройке РПМ на частоту f_с одновременно с изменением частоты ИУ и УРЧ так, что f^_ остается постоянной (в отечественных вещательных РПМ f^_ = 465 кГц). Таким образом сигнал на произвольной частоте f_c в РПМ супергетеродинного типа преобразуется в сигнал на постоянной промежуточной частоте. На эту промежуточную частоту настраивается колебательный контур усилителя промежуточной частоты УПЧ, в котором осуществляется основные селекция и усиление полезного сигнала. Так как частота колебательного контура не меняется, полоса пропускания и избирательность РПМ постоянны во всем частотном диапазоне.

В современной радиоаппаратуре отдельные радиоэлектронные устройства размещают на печатных платах, представляющих собой диэлектрическое основание с отверстиями для монтажа и электропроводящим рисунком. Печатные платы закрепляют на элементах конструкций радиоэлектронной аппаратуры - блоки, каркасы, стойки.

Современные конструкции на ИМС выполняют в виде кассет, которые выставляются по направляющим в блоки. Электрическое соединение между блоками осуществляется через контактные разъемы . Таким образом из блоков как из отдельных "кирпичиков" - модулей - создают радиоэлектронную аппаратуру (РЭА). Блочно-модульный принцип построения РЭА облегчает поиск и устранение неисправностей.

Источники электропитания

Источник электропитания (ИП) - средство для получения электрической энергии (в виде энергии постоянного тока), обеспечивающее функционирование электронных систем.

Различают первичные источники электропитания - средства, в которых электрическая энергия получается за счет энергии других видов - электрохимической (гальванические элементы, аккумуляторы), механической (дизель-генераторы), световой - солнечной- энергии (фотоэлектрические источники энергии - солнечные батареи) и вторичные источники электропитания (выпрямительные устройства или блоки питания), которые обеспечивают преобразование энергии переменного тока от технической сети (промышленная или бортовая сеть) в энергию постоянного тока.

Основным источником питания на судне является бортовая сеть, вырабатывающая переменное напряжение промышленной частоты (обычно 50 Гц). Для получения постоянного тока используется выпрямительное устройство (блок питания), которое состоит из трансформатора Т, вентильной группы В, сглаживающего фильтра СФ, стабилизатора постоянного напряжения Ст (рис.6.5).

СФ

В

Ст

Т

От сети К нагрузке

Рис.6.5

Трансформатор предназначен для изоляции блока питания от источника переменного напряжения, а также для повышения/понижения напряжения.

Вентильная группа (один или несколько выпрямительных диодов) предназначена для преобразования переменного (гармонического) напряжения в пульсирующее напряжение одной полярности. Основные схемы выпрямителей - однополупериодные и двухполупериодные (мостовые и с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора).

Сглаживающие фильтры (LC или RC-фильтры) предназначены для уменьшения пульсаций (сглаживания) выпрямленного напряжения. В результате сглаживания возрастает значение постоянной составляющей тока (напряжения).

Стабилизаторы предназначены для автоматического поддержания постоянства напряжения, подаваемого в нагрузку, независимо от значения входного сопротивления нагрузки. В этом качестве наиболее часто используют полупроводниковый стабилитрон.

Аварийным источником питания на судне является дизель-генератор, который включается при выходе из строя бортовой сети питания.

В качестве резервных и автономных источников питания используются

гальванические элементы и аккумуляторы. Для увеличения мощности их соединяют в батареи.

Гальванические элементы изготавливаются сухими или водоналивными. Распространенными являются сухие элементы с электролитом в виде густой пасты. Гальванические батареи являются источниками энергии, обеспечивающие мгновенную готовность к работе. Они являются источниками одноразового действия, т.е. после выработки ресурса их следует заменять. С течением времени происходит высыхание компонент гальванического элемента - на каждом элементе обозначается предельный срок хранения, после которого номинальное значение напряжения не гарантируется.

Аккумулятор - устройство для накопления энергии с целью последующего ее использования. Электрический аккумулятор - устройство, преобразующее электрическую энергию в химическую и по мере необходимости обеспечивающее обратное преобразование. Аккумуляторы делятся на кислотные и щелочные. В кислотных аккумуляторах пластины изготавливаются из свинца, а электролитом служит раствор серной кислоты определенной плотности. В щелочных аккумуляторах электроды бывают кадмиево-никелевыми (КН), железо-никелевыми (ЖН), никель-цинковыми (НЦ) и серебряно-цинковыми (СЦ). Электролитом служит раствор едкой щелочи определенной плотности. Щелочные серебряно-цинковые аккумуляторы обладают наиболее высокими эксплуатационными свойствами (небольшие габариты и вес - в 4…6 раз легче других аккумуляторов, широкий диапазон температур, большие токи). Однако эти аккумуляторы значительно дороже других. Перед использованием аккумулятор необходимо зарядить с помощью специального зарядного устройства. При использовании аккумулятора его емкость снижается, для восстановления номинальных значений тока и напряжения также требуется регулярная подзарядка аккумулятора. Существуют автоматические зарядные устройства, обеспечивающие автоматическое подключение источника постоянного тока к аккумулятору при снижении емкости последнего ниже номинальной.

Контрольные вопросы к разделу 6

1. Изобразите структурную схему радиопередатчиков и поясните назначения его блоков.

2. Опишите назначение согласующего устройства между выходом передатчика и антенной.

3. Перечислите основные характеристики радиопередатчиков.

4. Составьте структуру радиоприемника супергетеродинного типа и опишите назначение отдельных блоков.

5. Перечислите основные характеристики радиоприемников.

6. Опишитет назначение источников питания и их основные виды.

Литература

Байрашевский А.М., Жерлаков А.В., Ильин А.А. и др. Судовая электроника и радионавигационные приборы. - М.:Транспорт, 1989.-271 с.

Мержеевский А.И., Фокин А.А. Электроника и автоматика в гидрометеорологии.- Л.: Гидрометеоиздат, 1977.-384 с.

Ибрагим К.Ф. Основы электронной техники: элементы, схемы, системы. Пер. с англ.- М.: Мир, 1997. - 398 с.

Иваненко И.П., Ильин А.А., Солодовниченко М.Б. и др. Радиотелекс на морском флоте. - М.:

Мортехинформреклама, 1990. - 68 с.

Эрл Д.Гейтс. Введение в радиоэлектронику. -Ростов-на Дону: Феникс, 1998.- 640 с.

П.Хоровец, У.Хилл Искусство схемотехники.Т.1.Пер. с англ.-М.:Мир,1993.- 413 с.

[RV1]