5982

Основные понятия по передаче информации

Шпаргалка

Информатика, кибернетика и программирование

Основные понятия по передаче информации Информация это совокупность сведений об окружающем нас мире. Эти сведения человек получает в процессе взаимодействия с окружающим миром, изучения различных явлений посредством книг, радио, телевидения и других...

Русский

2012-12-26

937 KB

38 чел.

Основные понятия по передаче информации

Информация это совокупность сведений об окружающем нас мире. Эти сведения человек получает в процессе взаимодействия с окружающим миром, изучения различных явлений посредством книг, радио, телевидения и других средств общения. Всякий обмен информацией предполагает тот или иной язык, знаки которого и правила применения получателю и отправителю информации. Совокупность знаков содержащих некоторую информацию называют сообщением. Материальными носителями сообщений и следовательно информации может быть магнитная лента или диск с записями, бумага с текстом, механические колебания некоторой среды, колебания эл. тока и напряжения, электромагнитные волны, оптическое излучение и т.д. Все возможные носители сообщений называют сигналами в широком смысле.

Наиболее употребимыми сигналами являются колебания эл. тока и напряжения, э.м. волны и механические колебания упругой среды несущие сообщения. Если информация от некоторого источника воспринимается непосредственно органами чувств человека, то говорят о непосредственной передаче сообщения. Если же информация не может быть непосредственно воспринята органами чувств человека, то прибегают к преобразованию сообщения в некоторые сигналы. Таким образом, сигнал – это некоторый физический процесс, однозначно отображающий информацию и пригодный для передачи ее на расстояние. Общим свойством любых сигналов является информативность, которая определяется степенью новизны сообщения. Сигналы не несущие получателю новой информации не обладают для него информативностью.

Наибольшую информацию человек получает посредством зрения и слуха. Поэтому широко распространена передача информация с помощью световых и звуковых сигналов. Такие методы передачи информации называют прямыми. Однако эти методы обладают ограниченными возможностями из-за рассеяния и поглощения энергии световых и звуковых колебаний в пространстве и ограниченной чувствительностью органов чувств человека. Для передачи информации на большие расстояния применяются электрические и электромагнитные сигналы.

Классификация систем связи

По физической природе сигнала системы связи подразделяются на: 1) акустические 2) электрические 3) электромагнитные 4) оптические

По технической реализации системы связи подразделяются на: 1) телефонные 2 ) телеграфные 3) радиотехнические 4) телевизионные 5) спутниковые 6) волоконно-оптические 7) компьютерные 8) факсимильные

По направленности потока информации они могут быть: 1) односторонними 2) двусторонними 3) разветвленной сетью

По виду использования линий связи системы связи делятся на: 1) проводные 2) кабельные 3) радиоволновые 4) волоконно-оптические

По способу обработки информации системы связи делятся на: 1) аналоговые 2) цифровые

Радиосвязь

Радиоволновой диапазон и его классификация

В основе радиосвязи лежит использование для передачи информации э.м. волн (ЭМВ) свободно распространяющихся в пространстве. Скорость распространения ЭМВ обеспечивает практически мгновенную передачу различных сообщений на большие расстояния. Из всего спектра ЭМВ в радиосвязи используются э.м. волны частоты которых лежат в пределах от 3·103 до 3*1012 Гц. Если изобретатель радиосвязи Попов использовал радиоволны с λ=200-500м, то сейчас используется и оптический диапазон э.м. колебаний. Официально к радиоволнам относят э.м. волны с λ>5*10-5, т.е. с частотой ν<6*1012 Гц. Под длиной волны понимают расстояние, проходимое волной за один период колебания: λ=c*T=c/f, где c=3*108 м/c - скорость распространения э.м. волны. Согласно международному регламенту связи радиоволны разделены на 12 диапазонов. Столбцы в таблице – 1) f, Гц 2) λ, м 3) нумерация и наименование радиодиапазонов (международный регламент) 4) наименование частот (международный регламент) 5) Внерегламентные термины. Данные таблицы: 1-ая строка:

1) 3 2) 108 3) 1 декаметровый 4) крайне низкие (КНЧ) 5) сверхдлинные волны (СДВ) 2-ая строка: 1) 30 2) 10**7 3) 2 мегаметровый 4) сверхнизкие (СНЧ) 5) СДВ. 3-ая строка: 1) 300 2) 10**6 3) 3 Гектометровый 4) Инфранизкие (ИНЧ) 5) СДВ 4-ая строка: 1) 3*10**3 2) 10**5 3) 4 мериаметровый 4) очень низкие (ОНЧ) 5) СДВ 5-ая строка: 1) 3*10**4 2) 10**4 3) 5 километровый 4) низкие (НЧ) 5) длинные 6-ая строка: 1) 3*10**5 2) 10**3 3) 6 гектометровый 4) средние (СЧ) 5) средние (СВ) 7-ая строка: 1) 3*10**6 2) 10**2 3) 7 Гектометровый 4) высокие (ВЧ) 5) короткие (КВ) 8-ая строка: 1) 3*10**7 2) 10 3) 8 метровый 4) очень высокие (ОВЧ) 5) УКВ 9-ая строка: 1) 3*10**8 2) 1 3) 9 дециметровый 4) ультравысокие (УВЧ) 5) УКВ 10-ая строка: 1) 3*10**9 2) 10**-1 3) 10 сантиметровый 4) сверхвысокие (СВЧ) 5) УКВ 11-ая строка: 1) 3*10**10 2) 10**-2 3) 11 миллиметровый 4) крайневысокие (КВЧ) 5) УКВ 12-ая строка: 1) 3*10**11 2) 10**-3 3) 12 дециметровый 4) гипервысокие (ГВЧ) 5) субмиллиметровые волны 13-ая строка: 1) 3*10**12 2) 10**-4 3) Инфракрасные лучи 14-ая строка: 1) 3*10**13 2) 10**-5 3) инфракрасные лучи 15-ая строка: 1) 3*10**14 2) 10**-6 3) видимые лучи 16-ая строка: 1) 3*10**15 2) 10**-7 3) видимые и ультрафиолетовые лучи 17-ая строка: 1) 3*10**16 2) 10**-8 3) рентгеновские лучи 18-ая строка: 1) 3*10**17 2) 10**-9 3) рентгеновские лучи 19-ая строка: 1) 3*10**-18 2) 10**-10 3) рентгеновские лучи.

Деление радиоволн производится с учетом особенности получения и условий их распространения над земной поверхностью. Надо помнить, нет резкой границы между свойствами радиоволн лежащих в смежных диапазонах. Излучение и прием ЭМВ производится с помощью передающей и приемной антенн. В простейшем случае возбуждение радиоволн осуществляется в передающей антенне при протекании в ней тока высокой частоты. iA=Im*cos(ωt-φ). Γде Im- амплитуда тока; ω=2πf – частота колебаний; t – время; φ – нач. фаза.

При протекании такого тока в антенне происходит преобразование энергии колебания высокой частоты в энергию возбуждаемых в пространстве ЭМВ. Эффективность такого преобразования зависит от частоты питающего тока. Излучаемая мощность тем больше чем выше частота тока в антенне. Э.м. колебания оптического диапазона малой мощности возбуждается светодиодами, а средней и большей мощности с помощью оптических квантовых генераторов (лазеров).

Принцип передачи по радиоволновому каналу связи.

При передаче информации по радиолинии используется электрические сигналы. Физической величиной определяющей такой сигнал является ток или напряжение. Если сообщение не электрического происхождения то (например, текст), то оно предварительно преобразуется в электрический сигнал, который изменяется во времени по закону передаваемой информации. Электрические сигналы, содержащие информацию не передаются непосредственно по радиолинии, т.к. как правило, они низкочастотны и для их преобразования в ЭМВ, т.е. излучения нужны антенны значительных размеров. Для передачи низкочастотных сообщений используется косвенный метод. Он состоит в том, что ЭМВ возбуждаются в пространстве посредством высокочастотного тока: i(t)=cos(2πƒt-φ), один из параметров которого изменяется по закону передаваемого сообщения . Процесс управления одним из параметров высокочастотного тока называется модуляцией. В зависимости от того, каким из параметров осуществляется управление, различают амплитудную (АМ) частотную (ЧМ) и фазовую (ФМ) модуляцию. Низкочастотные сигналы несущие информацию использующиеся для модуляции высокочастотных называются управляющими. Сигналы, получившиеся в результате модуляции высокочастотных колебаний, называются радиосигналами. Радиосигналы формируются в радиопередающем устройстве. Приемное устройство обеспечивает и обработку сигнала, а также выделение переданного сообщения. Функциональная схема радиолинии имеет вид:

Осн. элементами р/передающего устройства является задающий ген-р, выраб-щий гармонич. колебания UЗГ=Umcos(ωНt), преобразующее устройство, преназнач. для преобразования сообщения в управ. напряжение Uу, изменяющееся по закону передаваемого сообщения. При передаче звука таким преобразователем явл. микрофон, изображ-я – ЭЛТ. Модуляционное устройство, в кот. при действии управляющего напряж-я UУ(t) осуществляется изменение одного из пар-ров высокочастотного напряж-я, подводимого от ЗГ. В рез-те, напр., при АМ на выходе модулятор образует модулированные колебания ВЧ U1=U1m(t)cos(ωHt), где U1m=A·Uу(t), А=const. Усилитель мощности служит для ув-ния мощности модулир. колеб-й ВЧ. Антенна, в кот усилитель мощности создает ВЧ модулированный ток, напр. при АМ iA=IАМ(t)cos(ωHt), где IAM(t) – лин. ф-ция передаваемого сообщения. Антенна возбуждает э/м волны, распространяющие с прос-ве в напряжениях, определяемых ее свойствами. Напряж-ть эл. поля э/м волны вблизи приемной антенны изм-ся аналогично току ВЧ в передающей антенне, т.е. в рассматриваемом примере предс-ет собой АМ колебания ВЧ. Под действием этого поля в приемной антенне возбуждается ЭДС eА=Em(t)cos(ωHt)=kUm(t)cos(ωHt), k=const, кот. поступает на вход р/приемного устройства. Помимо данных ЭДС вы антенне могут наводиться и другие, т.к. антенну могут пересекать э/м волны различ. р/станций. Эти ЭДС отл-ся несущей частотой и законом модуляции.

Приемное устройство состоит из след. осн. блоков:

  •  ВЦ – входная цепь – осуществлениет селекцию сигналов р/станций. При этом из всех сигналов, возбуждаемых в антенне, в приемник проходит только от одного р/передатчика. На выходе ВЦ форм-ся напряжение .
  •  Усилитель ВЧ (УВЧ) обеспечивает ус-ние слабого выделенного сигнала , при этом на выходе УВЧ образ-ся ус-ные АМ колебания ВЧ , где k2>>1.
  •  Детектор (Д) осуществлениет такое преобразование подводимого к нему ВЧ сигнала, при кот. на его выходе образ-ся НЧ сигнал UНЧ=k3UУ(t), несущий в себе переданное сообщение. Эта операция, выполняемая детектором, явл. обратной по отнош-ю к модуляции и наз. демодуляцией или детектированием.
  •  УНЧ ув-ет мощность слабого НЧ сигнала, получаемого на вых. детектора.
  •  Вых. устройство – оконечное устройство, преобразующее НЧ напряжение с выхода УНЧ в сообщение, форма кот. зависит от получателя информации. Ф-цию такого устройства могут выполнять телефонный капсюль, ЭЛТ, динамик, регистрирующий прибор и т.д.

Временные диаграммы эл. сигналов в разл. точках р/линии имеют следующий вид:

(РИСУНОК 2)

Управляющие сигналы, их параметры и спектры

По форме разл-ют непр. и импульсные управляющие сигналы. Простейшим непр. сигналом явл. однотональный управ. сигнал вида U(t)=Umcos(ωt-ψ), где Um – амплитуда, ω=2πf – частота, ψ – нач. фаза. Такой сигнал можно получить с пом. стандартного ген-ра гармонич. колебаний. Реальные сигналы очень сложны и их описание производитсяс нек. приближением. Сложные непр. сигналы управ. сигналы предс-ся в виде суммы беск. большого числа гармонич. составляющих с разл. амплитудами, частотами и нач. фазами: . Сложные непр. сигналы наз. также многотональными. Совокуп-ть гармонич. колебаний, на кот. можно разложить сложный сигнал, наз. спектром. этого сигнала. Разл-ют АЧ спектр и ФЧ спектр. Для построения АЧ спектра на оси абсцисс откладываются частоты гармонич. колебаний, образующих спектр, а по оси ординат из этих точек строятся перпендикулярные отрезки, длины кот. соотв-ют амплитудам соотв. гармонич. составляющих. ФЧ спектр строится аналогично. АЧ спектр сигналов дает достаточно ясное представление об этих сигналах, поэтому ФЧ спектр рассматривать не будем, а вместо слов АЧ будем исп-ть слово спектр. Спектры однотонального и многотонального сигналов имеют вид:

(РИСУНОК 3аб)

Спектр гармонич. колебания (рис.3а) с частотой F изображ-ся одной линией. Спектр сложного многотонального сигнала намного богаче и занимает полосу частот. Ширина этой полосы, т.е. ширина спектра ΔfC позволяет сравн-ть разл. виды управ. сигналов, кот. разделяют на широкополосные и узкополосные. Для разл. сигналов ΔfC опред-ся по разному. Если спектр сигнала ограничен частотами fmin и fmax, то ΔfC находится по формуле ΔfC=fmax-fmin. Если спектр сигнала имеет неогранич. ширину, то в этом случае польз-ся понятием активной ширины спектра. Под ней понимают полосу частот, охватывающую наиб. интенсивные гармоники в пределах кот. содержится 95% энергии всего сигнала. Ширина спектра явл. важной характеристикойсигнала, т.к. она определяет полосу пропускания цепей, по кот. передается сигнал. Звуковой многотональный сигнал, воспринимаемый слухом человека имеет полосу частот от 16 Гц до 20 кГц и считается узкополосным. ТВ сигнал имеет частоту от 10 Гц до 4-5 Мгц и явл. широкополосным. Имп. сигналы прим-ся в радиосвязи для управления сигналами ВЧ, для кодирования и преобразования информации. По форме разл-ют импульсы прямоугольной, трапецеидальной, пилообразной формы. Осн. параметрами импульсов и их последовательностей явл. амплитуда Um, длительность tИ, длительности фронта и среза tФ и tC, период повторения ТП, частота повторения FП=1/ТП, скважность Q=ТП/tИ. Импульсные сигналы явл. широкополосными, в их состав входят множество гармоник, для кот. трудно указать граничную частоту.

(РИСУНОК 4)

На рис.4 показаны спектры прямоуг. (рис.а), экспоненциального (в) и колоколообразного (г) импульсов, а также последовательности прямоуг. импульсов (б). Спектры одиночных импульсов сплошные, а последовательности импульсов – линейчатые. Приведенные спектральные характеристики имеют след. особенности: они симметричны относительно начала отсчета частоты; ширина спектра зависит от длительности импульсов ΔfC=1/tИ. Последнее обст-во имеет очень важное значение в р/связи. Оно определяет треб-я к полосе пропускания р/технич. устройства, кот. должно соотв-ть ширине спектра обраб. сигнала. В противном случае усл-я р/приема ухудшаются и сигналы искажаются. В наст. время импульсы малой длительности исп-ся для передачи сообщения, непр. сигнала. По теореме Котельникова непр. сигнал U(t) с гармонич. составляющими от fmin до fmax полностью опр-ся его дискретными знач-ями, взятыми через интервалы времени Δt=1/2fmax.

В соответствии с этой теоремой вместо сигнала U(t) достаточно передать только его отдельные значения U(tк) в момент времени t1,t2,…,tк отстающие друг от друга на расстояние Δt. Переход от непрерывного сигнала к его дискретным значениям называют дискретизацией или квантованием по уровню. В данном случае идет речь о квантовании по уровню. Такое представление сигнала существенно сокращает объем передаваемой информации. Использование ЭВМ для обработки информации в радио системах связи обусловило необходимость представления дискретных значений U(tк) в цифровой форме. Квантованное значение сигнала представляется цифровыми кодами в какой-либо системе исчисления (например, в двоичной цифрами, в которой явл. 0 и 1). При этом единице можно поставить в соответствие импульс, а нулю – его отсутствие. Например: U(t)=91 в двоичной системе имеет вид 1011011 и может быть представлена следующей последовательностью импульсов. Импульсные сигналы являются основными видами сигналов в цифровых сигналах нашедших в настоящее время широкое применение в системах связи.

Радиосигналы, их параметры и спектры.

Радиосигналы представляют собой модифицированные высокочастотные колебания, описываемые функцией U(t)=U*cos(ωt-φ). Такая функция характеризуется тремя независимыми параметрами: амплитудой, частотой и начальной фазой. Следовательно, модуляция у гармонических колебаний может осуществляться изменением во времени любой из трех величин. Процесс, при котором модулируется амплитуда наз. АМ, если нач. фаза или частота то ФМ или ЧМ.

Непрерывные радиосигналы.

При АМ одним тоном радиосигнал представляет собой высокочастотные колебания несущей частоты fH, амплитуда которых изменяется по гармоническому закону с частотой F<<fH. На рисунке приведены управляющий сигнал, модулированные колебания и их спектры.

(РИСУНОК 6аб)

Амплитудно модулированные по гармоническому закону колебания состоят из суммы 3-х колебаний: составляющей несущей частоты fH, боковой составляющей суммарной частоты fH+F, боковой составляющей разностной частоты fH-F. Т.к. fH>>F, то все составляющие спектра АМ-ых колебаний являются высокочастотными. При Амплитудной модуляции многотональным управляющим напряжением закон изменения огибающей имеет сложную форму. Многотональный управляющий сигнал содержит большое число гармоник Fк, каждая из которых образует с несущей пару боковых составляющий fH+Fк, fH-Fк. Таким образом спектр модулированных колебаний при многоканальной Амплитудной модуляции состоит из несущей частоты fH, нижних боковых составляющих с частотами fH-Fк и верхних боковых составляющих с частотами fH+Fк. Следовательно спектр АМ колебаний занимает на оси частот полосу, определяемую максимальной из частот спектра управляющего сигнала Fк. ΔfC=2Fк. Очевидно, что каждой радиолинии для передачи информации необходимо использовать определенную полосу частот, причем нормальная работа различных радиолиний возможна при условии, если полосы частот используемых ими сигналов не перекрываются, т.е. радиолиния работает на различных несущих частотах.

(РИСУНОК 7)

Полоса частот, отводимая каждой радиолинии должна соответствовать ширине спектра радиосигнала, которая обеспечивает приемлемое качество передачи информации. Так при использовании АМ-радиосигналов для речевой радиосвязи отводится полоса частот в 4-5 кГц. Для высококачественной передачи музыки требуется более широкая полоса частот, т.н. спектр управляющего сигнала в этом случае содержит составляющие до 16-20 Кгц. При однотональной ЧМ-модуляции по закону управляющего сигнала изменяется частота несущего колебания.

Спектр такого сигнала (рис 8.в) состоит из несущей и 2х боковых полос, каждая из которых содержит бесконечную последовательность гармонических колебаний отстоящих друг от друга на определенное расстояние.

При фазовой модуляции структура спектра радиосигнала получится такой же, как и при ЧМ-модуляции.

Импульсные радиосигналы

Импульсные радиосигналы получаются при АМ-модуляции высокочастотных колебаний импульсными управляющими сигналами и имеют вид:

Спектр последовательности прямоугольных импульсов содержит бесчисленное множество составляющих частоты, которые распространяются до беск-ти. В энергетическом отношении основную роль играют составляющие, находящиеся в пределах активной ширины спектра, которая содержит 95% всей энергии.

Амплитудно-частотный спектр радиоимпульса образуется смещением спектра управляющего импульса по оси частот на расстояние несущей частоты от начала координат.

Помехи радиоприему

Помехами называют посторонние э.м.-ые возмущения, которые накладываются на сигналы и мешают приему. Различают внешние и внутренние помехи. Внешние помехи образуются вне приемного и передающего устройств. Их источниками являются посторонние радиостанции, полоса частот которых перекрывает полосу частот данного радиоканала, а также различные промышленные установки, линии электропередачи, эл. транспорт, э.м.-ые излучения которых образуют так называемые промышленные помехи, атмосферные грозовые разряды и другие э.м. явления создающие атмосферные помехи, э.м. излучения космических объектов, кроме того помехи могут создаваться преднамеренно с помощью специальной аппаратуры. Внутренние помехи в самом радиоэлектронном устройстве. Это так называемые плуктуационные шумы, представляющие собой случайные колебания токов и напряжений в элементах радиоэлектронного устройства (РЭУ), обусловленные дискретной природой вещества и тока (электричества). Например к ним относится плуктуация постоянного тока в п/п приборах из-за случайных колебаний числа электронов образующих этот ток, а также плуктуации падения напряжения на резисторах из-за случайных тепловых напряжений электронов в проводнике. Интенсивность таких шумов в месте их возникновения весьма мала, однако на входе чувствительного приемника может быть соизмерима с принимаемыми сигналом В этом случае сигнал и шум одинаково обрабатывается в приемнике и усиливается в равной мере. На выходе приемника сигнал будет наблюдаться на фоне сравнительно сильного шума, что затрудняет его обнаружение. Для борьбы с помехами принимают специальные меры. Главным методом борьбы с прямыми помехами является их снижение в месте возникновения. Для борьбы с внутренними помехами во входных цепях приемных устройств применяют малошумящие элементы. Кроме того для уменьшения уровня шумов могут применяться специальные методы обработки сигналов. Весьма серьезной в настоящее время становится проблема э.м. – совместимости. Насыщенность Н.П. радиоэлектронной аппаратурой различного назначения приводит к усилению не преднамеренных э.м. связей. Для исключения посторонних сигналов применяют фильтры для их подавления, селекцию сигналов по направлению с использованием направленных антенн и другие меры. Борьба с преднамеренными помехами ведется применением различных технических методов обработки сигналов и выбора режима работы РЭА.

Строение атмосферы Земли

В окружающей земной шар атмосфере различают три области влияющие на распространение радиоволн: тропосферу, стратосферу и ионосферу. Границы между этими областями не устойчивы и зависят от времени и географического места. Тропосферой называется приземной слой атмосферы до высоты 10-15 км. Тропосфера представляет собой однородную смесь газов и водяных паров. Ее отличительными особенностями является постоянство азота и кислорода в ее составе и почти равномерное падение температуры с увеличением высоты в среднем на 1˚ С на 200 м. Верхняя граница тропосферы определятся по прекращению уменьшения температуры. Электрические параметры тропосферы меняются при изменении метеорологических условий. Тропосфера влияет на распространение земных радиоволн и обеспечивает распространение так называемых тропосферных волн. Траектория распространения земных радиоволн в тропосфере искривляется вследствие дифракции, т.е. преломления в зависимости от частоты колебаний и состояния тропосферы. Распространение тропосферных радиоволн обуславливается прежде всего рассеиванием и отражением их от неоднородностей тропосферы. Эти неоднородности представляют собой области в которых диэлектрическая проницаемость отличается от окружающей тропосферы. Наличие в тропосфере капель воды в виде дождя и тумана приводит к затуханию радиоволн вследствие их поглощения или рассеивания. Наиболее заметное поглощение радиоволн проявляется в мм и см диапазонах. Выше тропосферы до высоты 60 км располагается стратосфера. Она отличается от тропосферы значительно меньшей плотностью воздуха законом изменения температуры по высоте. На распространение радиоволн стратосферы стратосфера оказывает то же влияние, что и тропосфера. Но оно проявляется в меньшей степени из-за малой плотности воздуха. Ионосферой называют ионизированную область атмосферы расположенную на высоте от 50-60 км до 15-20 тыс. км. На распространение радиоволн существенно влияет лишь часть ионосферы, верхней границей которой считается 1000-1500 км. Характерной особенностью ионосферы является наличие в ней свободных электронов и ионов возникающих в результате ионизации молекул и атомов верхних слоев атмосферы, гл. образом азота и кислорода. Основным источником ионизации является солнце излучающее широкий спектр э.м. колебаний. Корпускулярные потоки солнечного излучения под действием маг. поля Земли отклоняются и попадают в затененную область атмосферы. Часть электронов в то же время соединяется с положительными ионами и нейтральными молекулами. Такой процесс называется рекомбинацией. Степень ионизации атмосферы пропорциональна интенсивности ионизирующего излучения и характеризуется электронной плотностью Nэ, т.е. количество свободных электронов в единице объема ионосферы. Электронная плотность распределяется неравномерно из-за уменьшения плотности атмосферы с увеличением высоты. В реальности атмосфере обычно образуется несколько максимумов ионизации представляющие собой отдельные области, т.е. слои. Эти слои обозначают D, E, F (см. рис. ) Самый нижний ионосферный слой D расположен на высоте 60-80 км. Для него характерны относительно низкая электронная плотность – 10**6-10**7 эл/м**3 и наличия большого числа отрицательных ионов примерно 10**14 ионов/м**3. На высоте слоя D плотность ионосферы достаточно велика, что обуславливает сильно выраженные поглощающие свойства. Слой D существует только в дневное время, а ночью ионизация на высоте слоя D исчезает. Еще одна особенность: более высокая электронная плотность в летние месяце по сравнению с зимними. На высоте 100-120 км от Земли расположена область E, степень ионизации характеризуются электронная плотностью Nэ=1,5*1011 эл/м2 днем и 109 эл/м2 ночью. Характерная особенность: постоянство его свойств. Основной максимум электронной плотности расположенный на высоте 250-400 км образует слой F. Свойства этой области ионосферы не устойчивы и изменяются в течение суток и времени года. Высота слоя F днем – 220-240 км, при Nэ =2*1012 эл/м3 а ночью 300-330 км и Nэ=2,5*1011. В летние месяцы слой F расщепляется на два слоя. Один из которых – F1, расположен на высоте 200-230 км., а второй F2 300-400 км. Слой F1 существует только днем. Ионизация слоя F зависит от удаления от магнитных полюсов Земли и интенсивности УФ излучения солнца. Слой F является основным слоем отражающим короткие волны и имеет большое значение для радиосвязи. На высоте >300 км атмосфера полностью ионизирована. Ионизированная газовая оболочка Земли простирается до высоты 20000 км. Где плотность электронов уменьшается до 10-9 эл/м3, что соответствует плотности газа в космическом пространстве.

Факторы, влияющие на распространение радиоволн

Средой распространения радиоволн может быть как естественная трасса, так и искусственная. Естественной трассой является земная поверхность, атмосфера или космическое пространство. Такая среда не поддается управлению, что весьма важно для организации радиосвязи. Пути распространения радиоволн по естественным трассам имеют вид:

(РИСУНОК 12).

Радиоволны (1) распространяются в непосредственной близости Земли называют земными. Наиболее заметное влияние на распространение радиоволн в атмосфере оказывают тропосфера и ионосфера. Распространение тропосферных волн (2) в тропосфере происходит вследствие рассеяния и отражения от неоднородностей тропосферы радиоволны (3) распространяются путем отражения от ионосферы, или рассеяния в ней называют ионосферными. Радиоволны 4,5 используются для радиолиний Земля-космос, космос-космос и не имеют специального названия. В свободном пространстве радиоволна обладает поперечной структурой, т.е. входящие в ее состав взаимосвязанные электрическое и магнитные поля перпендикулярны друг другу и направлению распространения. На рис.13 вектор E характеризует в некоторый момент времени направление электрического поля волны, вектор H-магнитного поля, вектор П-направление распространения э.м волны. Расположение вектора Е в пространстве характеризует поляризацию радиоволны. В зависимости от изменения направления вектора поляризация может быть линейной, круговой, эллиптической. При линейной поляризации вектор Е в процессе распространения остается параллельным самому себе, периодически меняясь по величине и направлению. Математический закон изменения вектора при условии, что в прямоугольной системе координат он изменяется в плоскости проходящей через ось Z, можно записать: Ez=Emcos(?t-kz) (1) или в комплексной форме: Ez=Em*(e**j)*cos(?t-kz) (2), где ?=2πƒ-κруговая частота, k=2π/λ – пространственная частота или волновой коэффициент. В общем случае величина k имеет смысл вектора и характеризует направление распространения волны. Закон изменения вектора H записывается аналогично в силу того, что только при этом условии возможно распространение радиоволн. В случае распространения линейно поляризованной волны вблизи раздела 2х сред различают вертикальную поляризацию если вектор E лежит в плоскости падения волны и горизонтальную, если вектор E параллелен границе раздела. Понятие поляризации относительное, в общем случае рассматривают волну поляризованную произвольно относительно границ раздела. В этом случае вектор Е раскладывают на две составляющие, одна из которых будет соответствовать вертикальной поляризации, а вторая – горизонтальной. При круговой поляризации вектор Е оставаясь постоянным по величине, вращается таким образом, что его конец описывает окружность. При эллиптической поляризации вектор Е меняется во времени по направлению и величине что его конец описывает эллипс.

Поляризация радиоволн определяется типом передающей антенны и физическими свойствами среды, в которой происходит распространение радиоволн. Только в космическом пространстве радиоволны распространяются как в свободном пространстве. В ином случае условие распространения определяется электрическими свойствами Земли и атмосферы, а также рельефом местности. Земная поверхность оказывает существенное влияние на распространение земных радиоволн. Ее элементарные свойства характеризуются в основном двумя параметрами: диэлектрической проницаемостью ? и проводимостью ?. Для земной поверхности однородной по глубине характерно постоянство параметров ? и ? во всем диапазоне радиоволн длиннее метровых. На дм и более коротких волнах ? уменьшается, а ? увеличивается с увеличением частоты. Наибольшее значение ? и ? имеют жидкие среды, а сухая почва, лед, снег, растительность имеют относительно малые значения ? и ?. Поэтому в зависимости от частоты радиоволн свойства земной поверхности меняются. Например для см диапазона морская вода считается диэлектриком, а влажная почва может рассматриваться как диэлектрик для метровых и более коротких волн. Параметры ε и γ определяют степень поглощения энергии радиоволны при распространении над земной поверхностью количественно потери энергии описываются коэффициентом поглощения α≈6πγ/√(ε). (3)

Физические потери обусловлены переходом энергии радиоволны в тепловую энергию движения молекул среды распространения. При распространении радиоволны в морской воде и влажной почве на низких частотах с повышением частоты коэффициент поглощения возрастает, на высоких частотах он перестает изменяться, как это имеет место в диэлектрике. Если э.м. волна падает на гладкую поверхность Земли, то она частично отражается от границы раздела сред и частично переходит в глубь второй среды. Поэтому в атмосфере имеются падающие и отраженные волны, а во второй среде – преломленная волна. При отражении волн может меняться ее поляризация, а преломленная часть волны поглощается средой. Отражение радиоволн от ровной плоской поверхности подчиняется закону геометрической оптики. Если поверхность земли не ровная, то радиоволны отражаются в различных направлениях, в том числе и в обратном. Рассеянный сигнал может иметь помимо составляющей той же поляризации, что и падающая волна составляющую ортогональную поляризацию. Поверхность считается ровной, если максимальная высота неровности hн удовлетворяет условию: hн<<λ/(8cosφ) (4). , γде ?-угол падения радиоволны. Для УКВ линии, при которой связь осуществляется только на расстоянии прямой видимости поднятие антенн над поверхностью земли позволяет увеличить протяженность связи. Для СВ и ДВ увеличение протяженности радиолиний обеспечивается дифракцией радиоволн, т.е. огибанием препятствий, встречающихся на их пути. Влияние тропосферы на распространение радиоволн также, как и в случае распространения земных радиоволн в основном определяется характером изменения диэлектрической проницаемости и проводимости среды, которые в свою очередь зависят от физико-химических свойств газов, входящих в тропосферу. Относительный газовый состав тропосферы остается постоянным по всей высоте, изменяется лишь содержание водяных паров, которые зависят от метеорологических условий и убывают с высотой. При распространении в тропосфере радиоволны см-го и более коротковолнового диапазона она теряет энергию вследствие поглощения каплями воды и рассеяния в них. При прохождении радиоволн в каждой капельке воды наводятся токи поляризации, которые обуславливают потери энергии. При этом каждая капля переизлучает э.м. волны, причем равномерно во все стороны, что и приводит к рассеянию мощности радиоволны. Мм- волны испытывают добавочное поглощение в молекулах водяного пара и кислорода. При распределении радиоволн в тропосфере наблюдаются искривления траектории волны, причем степень искривления и направления волны зависят от состояния тропосферы. Это явление искривления траектории называемое рефракцией объясняется изменением диэлектрической проницаемости ? и показателя преломления тропосферы с высотой. Представим тропосферу в виде тонких сферических слоев с неизменными в слое и отличающимися в разных слоях коэффициентами преломления. При прохождении радиоволны через границы слоев она будет преломляться. Если коэффициент преломления убывает с высотой, то угол преломления увеличивается, т.е. dn/dh<0, и имеет место положительная тропосферная рефракция. Если dn/dh>0, то имеет место отрицательная тропосферная рефракция и траектории радиоволн искривляются вверх от земли. При положительной тропосферной рефракции имеет место 3 частных случая: 1) нормальная рефракция 2) критическая рефракция 3) сверхрефракция Нормальная тропосферная рефракция происходит в нормальной тропосфере, параметры которой (P, t, влажность высота) соответствует некоторому среднему значению. Траектория распределения радиоволн при этом искривляется в сторону земной поверхности, что приводит к увеличению дальности радиолинии. Степень отклонения радиоволн зависит от длины волны и от состояния тропосферы. При некоторых условиях искривление такое, что радиоволна распространяется параллельно земле на постоянной высоте. Такой вид рефракции называется критической. При резком убывании коэффициента преломления с высотой происходит полное внутреннее отражение радиоволны от тропосферы, и она возвращается на землю. Это явление называется сверхрефракцией и наблюдается в диапазоне УКВ.

Рисунок 16

Когда область сверхрефракции занимает значительное расстояние над земной поверхностью УКВ может распространяться на весьма большие расстояния. Радиоволна в этом случае распространяется путем последовательного чередования 2х явлений: рефракции в тропосфере и отражения от земли. Это явление получило название распространение радиоволн в условиях тропосферного волновода. Такое волноводное распространение возможно для см и дм волн. Высота тропосферных волноводов может достигать несколько десятков метров. В тропосфере создаются и другие условия обеспечивающие дальнее распространение радиоволн. На высотах 1-3 км наблюдаются инверсионные слои, т.е. слои с резким изменением коэффициента преломления, которые могут отражать радиоволны. Толщина инверсионного слоя может колебаться от нескольких метров до ста метров. При этом коэффициент отражения имеет достаточную величину только для самых пологих лучей при малой толщине слоя по сравнению с длиной волны из этого следует что достаточная интенсивность отражений наблюдается на метровых волнах. Длинные волны отражаются слабее. Отражаясь от высоких инверсионных слоев радиоволны могут распространяться на расстояние до 200-400 км. Однако это явление, как и тропосферный волновод для создания регулярно действующей радиолинии ограничено нерегулярностью проявления. Более реальным является использование дальнего тропосферного распространения за рассеяния УКВ на неоднородностях тропосферы. Неоднородности тропосферы представляют собой области, в которых диэлектрическая проницаемость отличается от среднего значения для окружающей тропосферы. Неоднородности создают вторичное излучение, носящее многолучевой характер. Максимум переизлучения ориентирован в сторону первоначального распространения волны и лишь некоторая часть в сторону. Протяженность радиолинии в случае тропосферного рассеяния достигает 300-500 км. Такие радиолинии широко используются в настоящее время там, где нельзя установить промежуточные ретрансляционные станции (над проливами, в северных и мало населенных районах). Эти радиолинии обеспечивают хорошую надежность передачи телефонных и телеграфных сообщений. Влияние ионосферы на распространение радиоволн обуславливается двумя основными факторами - наличием неоднородностей и относительно высокой концентрацией электронов. Неоднородности ионосферы представляют собой некоторые области, электронная плотность в которых отличается от среднего значения на данной высоте. Размеры неоднородностей могут быть от нескольких метров до нескольких километров. В области D преобладают мелкие неоднородности размером до десятков метров, в слое Е до 200-300 м, а в слое F до нескольких километров. Хотя неоднородности ионосферы постоянно меняются, тем не менее они используются радиосвязи на метровых волнах на дальности 1-2 тыс. км. Наличие в ионосфере электронов и ионов определяет величину диэлектрической проницаемости, от которой зависит затухания ионосферных волн. Диэлектрическая проницаемость ионизированного газа всегда <1 и зависит от частоты радиоволны. ε≈1-81*Nэ/f2 (5), где f- рабочая частота, Nэ – электронная плотность. Из формулы (5) видно, что при некотором значении электронной плотности диэлектрическая проницаемость может стать равной 0. Частота f0 при которой ε=0 называется собственной частотой ионизированного газа. В этом случае формула (5) имеет вид:  (6). При f<f0 диэлектрическая проницаемость оказывается меньше 0. Это означает, что при этом радиоволны в ионизированной среде не распространяются, т.к. диэлектрическая проницаемость ионизированного газа зависит от частоты колебаний, то скорость распространения радиоволн также зависит от частоты. Среды в которых скорость распространения радиоволн зависит от частоты называются диспергирующими. В этих средах различают фазовую и групповую скорости распространения радиоволн. Фазовая скорость – это скорость перемещения фронта волны, т.е. геометрического места точек с постоянной фазой при распространении монохроматической волны. Для ионизированного газа без учета потерь фазовая скорость  (7). Из формулы (7) видно что, каждой частоте соответствует своя фазовая скорость. Эта скорость > скорости света в свободном пространстве. Таким образом дисперсия волн проявляется при одновременном распространении нескольких монохроматических волн различных частот, что практически всегда имеет место. Спектральная составляющая радиосигнала в диспергирующей среде распространяется с разными фазовыми скоростями, что приводит к искажению сигнала. Групповая скорость – это скорость распространения максимума огибающей сигнала. Для ионизированного газа групповая скорость Uгр распространения волны в диспергирующей среде определяется выражением:  (8). Γрупповая и фазовая скорости связаны соотношением: Uгр*Uф=с2 (9) Т.о. в ионизированном газе радиосигналы распространяются со скоростью меньшей скорости света. Очевидно, что при распространении в ионосфере наибольшее искажение будут испытывать широкополосные сигналы, к которым относятся короткие импульсы.

Импульс 1 после прохождения через ионосферу приобретает форму 2. При распространении через ионосферу искажение вследствие дисперсии претерпевают импульсы длительностью в несколько секунд. А длительные телеграфные импульсы из-за дисперсии практически не искажаются. При распространении радиоволны через ионосферу ее траектория искривляется, при определенной диэлектрической проницаемости, электронной плотности, угле падения волны, ее рабочей частоте радиосигнал может отразиться от ионосферы. При этом угол падения Θ должен быть равен или превышать некоторый критический угол Θкр. Отражение радиоволн возможно и при нормальном падении на ионосферу и происходит оно на той высоте, где рабочая частота равна собственной частоте ионизированного газа. Чем больше электронная плотность, тем для более высоких частот выполняется условие отражения. Максимальная частота, при которой радиоволна отражается в случае вертикального падения на ионосферу, называется критической частотой fКР. Если рабочая частота больше критической, то при нормальном падении на ионосферу отражения не происходит и волна уходит в космическое пространство. Во время солнечных вспышек возникают ионосферные магнитные бури ухудшающие УКВ и КВ связь. Т.о. параметры тропосферы и ионосферы флуктуируют во времени. Это приводит к случайным изменениям амплитуды и фазы радиосигнала и вызывает их искажение. Флуктуация амплитуды сигнала называется замиранием.

Распространение средних волн (СВ)

СВ имеют =100-1000 м и могут распространяться как земными, так и ионосферными волнами. Земные радиоволны (РВ) СВ-диап-на испытывают значительные поглощения в полупроводящей поверхности Земли, что ограничивает их распространение расстоянием 500-700 км. Ионосферные РВ СВ-диап-на могут распространятся на гораздо большие расстояния, однако это имеет место в ночное время суток. Днём распространение СВ происходит практически только земной волной, т.к. ионосферная волна поглощается в слое D и быстро затухает. В ночное время слой D исчезает и СВ распространяются путём отражения от слоя Е ионосферы. Т.о. в диап-не СВ на некотором расстоянии от передатчика возможен одновременный приход земной и ионосферной волн (ИВ).

Вследствие того , что длина пути ИВ меняется по случайному закону при изменении электронной плотности ионосферы изменяется разность фаз волн, приходящих в некоторую точку приёма В. Если разность фаз земной и ИВ =0, то сигнал максимален, а если =180о, то минимален. Такое изменение напряжённости поля, т.е. сигнала, называется ближним замиранием поля.

Возможен и другой вид замирания, так называемое дальнее замирание поля. Оно возникает в случае прихода в некоторую точку С (рис.18) ИВ путём одного (кривая 3) и двух (кривая 2) отражений от ионосферы. Изменение разности фаз этих двух волн так же приводит к колебаниям напряжённости эл. поля. Замирания тем глубже и чаще, чем короче . Средняя длительность замираний в диапазоне СВ изменяется в пределах от 1с до 10-ков секунд.

Глубокие замирания в диап-не СВ сильно затрудняют приём передаваемой по радиолинии информации. Для борьбы с замираниями на передающей стороне радиолинии применяют специальные антенны, у которых максимум излучения прижат к земной поверхности. В этом случае зона ближних замираний удаляется от передатчика, а дальнее замирание вообще не возникнет, т.к. волна, пришедшая путём двух отражений будет сильно ослаблена. В радиоприёмных устройствах для борьбы с замираниями применяется автоматическая регулировка усиления (АРУ), которая обеспечивает поддержание постоянного уровня сигнала на выходе несмотря на значит. колебания напряжения на входе. Уменьшение уровня ионизации в зимние месяцы позволяет увеличить протяжённость радиолиний в СВ-диап-не зимой.

СВ находят многообразное применение для построения радиосвязи на относительно небольшие расстояния(до 1000 км). На СВ работают радиовещательные станции. В бортовых устройствах СВ используются для радиосвязи и радионавигации.

Распространение коротких волн (КВ)

К КВ относятся РВ с =(10-100)м . Они могут распространяться как в виде земных (ЗВ), так и ионосферных волн (ИВ). Вследствие сильного поглощения в земн. поверхности и плохих условий дифракции земные РВ КВ диап-на распространяются на расстояния до 100 км. Над морем ЗВ испытывает меньшее поглощение, поэтому дальность КВ радиосвязи ув-ся до нескольких сот км. Если передающие и приёмные антенны поднять над земной поверхностью, поглощение ЗВ уменьшается, а дальность действия радиолинии будет доходить до 1000 км. Это имеет место, например, при радиосвязи между самолётами или между самолётом и землёй. Распространение КВ ионосферной волной происходит путём многократного последовательного отражения от слоя F ионосферы и земной поверхности. КВ не испытывают заметного поглощения при пересечении слоёв E и D, что обеспечивает возможность их распространения на сколь угодно большие расстояния. Для этого требуются радиопередатчики сравнительно небольшой мощности, что является ценной особ-тью КВ-диап-на. Еще одной особенностью этого диап-на является возможность создания направленного излучения РВ, что позволяет уменьшить излучение вдоль земной поверхности и, следовательно, уменьшить потери энергии.

Для связи ионосферной волной в КВ-диапазоне необходимо вып-е двух условий: 1.) волны должны отражаться от ионосферы (И); 2) они не должны сильно поглощаться в слоях И.

Эти условия влияют, прежде всего, на выбор рабочих частот.

Для отражения волны необходимо, чтобы электронная плотность И. была достаточной. Рабочая частота f, при которой волны отразятся от ионосферы при заданной электронной плотности NЭ и угле падения 0 равна:

(10)

Из этого условия выбирается максимальная применимая частота (МПЧ), являющаяся верхней границей рабочего диапазона. Нижняя граница рабочего диапазона определяется степенью поглощения КВ в И.. В диап-не КВ уменьшение поглощения происходит с повышением частоты. Наименьшая применимая частота (НПЧ) определяется из условия получения в некоторой точке пространства достаточной для приёма напряжённости ЭМ поля при данной мощности передатчика. Электронная плотность И. меняется в течение суток, поэтому днём рабочий диапазон волн 10-25м, ночью 35-100м. Необходимость правильного выбора длины волны усложняет организацию радиосвязи.

Для КВ радиолиний характерна ещё одна особенность – наличие так называемой зоны молчания. Зоной молчания (ЗМ) называют кольцевую область вокруг передатчика, в пределах которой невозможен приём РВ. Наличие ЗМ объясняется тем, что земные радиоволны 1 быстро затухают, а ИВ 2 приходят в некоторую точку земной поверхности на значительном удалении от радиопередатчика, т.к. для ИВ, падающих под малыми углами на И. не выполняется условие отражения (10) и они (рис. 19) уходят в космическое пространство. Пределы зоны молчания зависят от рабочей длины волны и уровня электронной плотности. Днём при связи на волнах в 10-25м ЗМ достигает 1000км, а ночью при связи на волнах 35-100м ширина ЗМ уменьшается до нескольких сот км. С увеличением мощности передатчика ЗМ так же уменьшается.

При распространении КВ, так же, как и в средневолновом диапазоне наблюдается явление случайного изменения во времени уровня сигнала, т.е. замирание. Сущ-ют замирания быстрые и медленные.

РИСУНОК 20

Быстрые замирания являются следствием многолучевого распространения РВ (рис 20а). Прежде всего причиной замираний служит приход в точку приёма РВ претерпевших одно и двукратное отражение от И.. Радиоволны 2 и 3 проходят разные пути, поэтому их фазы неодинаковы. Кроме того, изменение электронной плотности И. приводит к изменению длины пути каждой волны. Такие изменения происходят непрерывно, поэтому колебание напряж-ти эл. поля в диап-не КВ являются частыми и глубокими. Замирания радиосигналов вызываются также рассеянием РВ на неоднородностях И.(рис 20б) и интерференции рассеянных волн. ИВ-на КВ-диап-на под действием м. поля земли распадается на две составляющие – обыкновенную и необыкновенную, распространяющиеся с разными фазовыми скоростями (рис 20в). Интерференция составляющих магниторасщеплённой волны также приводит к замираниям. При отражениях от И. наблюдается также поворот плоскости поляризации волны. Если приёмная антенна принимает волны одной поляризации, то случайные изменения поляризации РВ-ны приведет к колебаниям уровня входящего сигнала. Все указанные причины замирания сигнала как правило действуют одновременно. Изменение поглощения РВ в И. также вызывает замирание, по времени проявления они медленнее.

Для борьбы с замираниями применяют направленные антенны, организуют приём радиоволн на разнесённые антенны, т.к. величина разноса порядка 10 обеспечивает надёжный приём. Эффективным является разнесение антенн по поляризации, т.е. приём РВ на две антенны, имеющие взаимно перпендикулярную поляризацию. При благоприятных условиях распространения КВ могут огибать земной шар один или несколько раз.

Тогда в точке приёма помимо основного сигнала с некоторым опозданием (0.1с) возможно появление такого же сигнала. Это явление, называемое радиоэхо ухудшает качество приёма радиосигналов. КВ нашли широкое и весьма многообразное применение прежде всего в организации дальней связи для радионавигации и радиовещания, в целях радиолокации для загоризонтного обнаружения объектов.

Распространение УКВ

К УКВ относят сравнительно большой диапазон волн =10-0.001м. Диапазон УКВ делят на поддиапазоны метровых (МВ), дециметровых (СМ), сантиметровых (СМ) и миллиметровых (ММ) волн. Каждый из поддиапазонов имеет свои особенности распространения, однако существуют общеосновные положения, свойственные всему диап-ну УКВ. Условия распространения УКВ определяются прежде всего свойствами трассы. УКВ слабо дифрагируют вокруг выпуклой поверхности Земли и крупных неровностей на ней и по этой причине распространяются на расстояния лишь незначительно превышающие дальность прямой видимости. Для того чтобы увеличить дальность УКВ-связи и уменьшить влияние окружающих антенну неровностей радиолинии стремятся поднять над земной поверхностью по возможности выше. Дальность действия радиолинии при этом с учётом атмосферной рефракции, определяется формулой

, (11)

где h1, h2 - высота поднятия антенн в метрах, D – дальность радиолинии в км. Если протяжённость УКВ радиолинии много меньше предельно возможной дальности прямой видимости, то сферичность Земли, рефракция в тропосфере не влияют на распространение РВ. Для подобных радиолиний характерны большая устойчивость и неизменность уровня радиосигнала во времени, если передатчик и приёмник стационарные. Если хотя бы один из абонентов УКВ радиолинии является подвижным объектом, то уровень радиосигнала меняется во времени вследствие изменении угла наблюдения при движении объекта и изрезанности (?) зоны излучения стационарной передающей антенны.

Если протяжённость УКВ радиолинии превышает пределы прямой видимости, то на качество её работы влияет сферичность Земли, явление рефракции, а также метеорологические условия. Сферичность Земли оказывает заметное ослабляющее действие, а тропосферная рефракция большей частью улучшает условия приёма. При нормальной тропосферной рефракции протяж-ть УКВ радиолинии может превышать пределы прямой видимости на 15. ДЛЯ наземных радиолиний с низко расположенными антеннами максимальная дальность распространения УКВ не превышает нескольких км. С антеннами , поднятыми на высоту порядка 20-25м максимальная дальность составляет 40-60 км. Для самолётов, летящих на средних высотах она равна 300-400 км. При распространении УКВ над пересечённой местностью препятствия ослабляют сигналы в том случае, если они перекрывают линию прямой видимости между антеннами приёмо-передающих устройств.

Вместе с тем, на трассах УКВ в горных условиях наблюдается явление улучшения распространения РВ. Например, на трассах протяжённостью 100-150 км проходящих через горы высотой 1-2 км наблюдается явление усиления препятствием. Это явление заключается в том, что интенсивность ЭМ поля радиоволны при некотором удалении за препятствие оказывается больше, чем в случае распространения без препятствия. Объясняется это тем, что вершина горы служит естественным пассивным ретранслятором.

Поле, возбуждающее вершину горы складывается из прямой волны 1 и отражённой волны 2. Волны дифрагируют на острой вершине и распространяются в область за гору. К месту расположения приёмной антенны А2 приходят волны 3 и 4, сумма которых значительно превышает уровень сигнала в этой точке пространства при распространении РВ без препятствия. Явление усиления препятствием экономически выгодно и позволяет организовать радиолинию в горах без ретрансляционной станции.

Распространение УКВ на большие расстояния (до 200-1000 км) возможно путём рассеяния на неоднородностях тропосферы, которые действуют как вторичные излучатели. Поле, создаваемое вблизи земной поверхности есть результат интерференции полей, переизлучённых большим числом неоднородностей. На неоднородностях тропосферы хорошо рассеиваются волны см. и дм. диап-нов. Волны метрового диап-на переизлучаются неоднородностями ионосферы.

Максимальная протяжённость радиолинии, использующей ионосферные волны метрового диап-на достигает 2000-2300 км. Такая радиосвязь имеет большое преим-во перед коротковолновыми линиями связи в возможности круглосуточной работы на одной частоте без заметных нарушений связи.

Сверхдальняя связь на УКВ может быть основана на использовании явления сверхрефракции в тропосфере. Если область сверхрефракции занимает значительный объём над земной поверхностью, то при этом обеспечивается распространение УКВ на большие расстояния в условиях, так называемого, тропосферного волновода. Такая связь имеет недостатки: 1) приём радиоволн возможен, если приёмник и передатчик находятся в пределах волновода; 2) нерегулярное появление волноводов не может обеспечить устойчивую связь на больших расстояниях.

Явление сверхрефракции имеет и негативную сторону. Оно может служить причиной взаимных помех, создаваемых станциями, работающими в см-ровом диап-не, а также помех радиолокационным станциям обнаружения воздушных объектов.

УКВ широко применяются на космических радиолиниях, подразделяющихся на виды Земля-космос и космос-космос. Межпланетная плазма оказывает слабое поглощающее или рассеивающее воздействие на радиоволны. На р/линии Земля-космос решающее значение имеет ослабление сигналов из-за большой протяжённости трассы и поглощения в атмосфере Земли. Для космических систем связи оптимальными являются волны длиной от 3 до 10 см.

В современных линиях радиосвязи УКВ занимают особое место, т.к. обладают рядом преимуществ по сравнению с РВ-нами других диап-нов:

1.Диапазон УКВ занимает очень широкий спектр частот, что позволяет разместить в нём большое количество одновременно работающих без взаимных помех радиосредств, а также маневрировать их рабочей длиной волны.

2.В диап-не УКВ возможно создание широкополосных радиолиний, таких как телевизионные линии или широкополосные радиолинии с ЧМ.

3.Применение УКВ позволяет сравнительно легко осуществлять остронаправленное излучение и приём радиоволн с помощью антенн относит-но небольших размеров.

4.Радиоприём на УКВ в меньшей степени подвержен воздействию атмосферных и промышленных помех.

5.Ограничение дальности распространения УКВ обеспечивает относительную скрытность передачи информации.

МВ и ДМВ используют для передачи ТВ изображений, для радиосвязи самолётов между собой и с наземными пунктами. См-ровые волны прим-ся для линий связи широкого назнач-я, для такой же связи применяются и мм-ровые волны.

Линии передачи высокочастотной энергии

Общие сведения о линиях передачи высоко частотной энергии

В любой эл. системе ЭМВ распространяются с конечной скоростью, поэтому мгновенное значение тока в реальной цепи конечных размеров не м.б. везде одинаковым. В РЭ устройствах применяются цепи имеющие сравнительно малые размеры в которых запаздыванием ЭМК при их распространении по цепи можно пренебречь. Это так называемые цепи с рассредоточенными параметрами. Основными элементами этих цепей являются такие элементы как R, C, L, п/п элементы. В РЭ кроме цепей с сосредоточенными параметрами широкое применение находят устройства геометрические размеры которых нельзя считать малыми, например различные линии передачи ЭМВ.

Линия передачи (ЛП) это устройство предназначенное для направленной передачи ЭМВЧ энергии от источника этой энергии к нагрузке. ЛП ВЧЭ являются цепями с распределенными параметрами. К ним относятся 2-х проводные линии и волноводы. Двухпроводные линии применяются как правило до М и ДМ диапазонов, а волноводы в диапазоне СМ и ММВ.

Рисунок 22

По особенности конструкций различают открытые (22а), закрытые (22б) и коаксиальные (22в) линии. Открытые и закрытые линии представляют собой систему 2-х проводов разделенных диэлектриком. Закрытые линии кроме того окружены металлическим экраном. Коаксиальные линии – внутренний провод крепится на шайбах (22в) или прокладываются внутри диэлектрического заполнителя (22г), вторым проводом служит металлическая оболочка.

Применение ЛП зависит от частоты ЭМК.

Открытые 2-х проводные линии обеспечивают передачу сигнала в диапазоне до МВ, т.к. при увеличении частоты колебаний растут потери на излучение.

Всякий проводник по которому протекает переменный ток излучает энергию в виде ЭМВ в окружающее пространство. В открытых линиях это приводит к не производительным потерям энергии и к созданию помех РЭ устройствам. Кроме того 2-х проводная линия большим сопротивлением потерь. Экранирование 2-х проводной линии позволяет исключить потери на излучение, а выбор оптимального сечения проводов уменьшает сопротивление потерь. Экранированная линия сложнее и дороже открытой и ее применение ограничивается МВ диапазоном т.к. при распространении волн короче 1 м возрастают потери обусловленные нагревом диэлектрика. Большое распространение в системах связи получили коаксиальные линии (КЛ). Они применяются как правило в ДМ диапазоне волн. КЛ в отличии от закрытых и открытых 2-х проводных линий являются несимметричными. Внешний провод КЛ всегда имеет нулевой потенциал и относительно его сигнал подается на внутренний провод. Уменьшение потерь в КЛ обусловлено увеличением поверхности внешнего провода-экрана, однако на частотах См диапазона возрастает активное сопротивление внутреннего провода и растут потери в диэлектрике. Поэтому в СМ диапазоне вместо 2-х проводных линий используются волноводы (Вд).

Вд представляет собой канал прямоугольного или круглого сечения по которому распространяется ЭМВ. Простота изготовления, полное экранирование, минимальные потери энергии, обусловили широкое применение Вд в СМ диапазоне и более коротких волн. В настоящее время применяются также Вд открытого типа как правило для передачи волн ММ диапазона. По своим электрическим свойствам ЛП ВЧ энергии являются длинными линиями (ДЛ). ДЛ это линия геометрическая длинна которой соизмерима или значительно больше длины волны передаваемых по ней ЭМК. Практически линия считается длинной если выполняется соотношение: l/ > 0,1. Расстояние между проводами образующая линию обычно << . Рассмотрим ДЛ в виде 2-х проводных ||-ных проводов большой протяженности, с известным R нагрузки на ее конце.

РИСУНОК 24

Любой малый элемент dx такой линии окруженный электрическим и магнитным полем будет обладать какой то малой емкостью, индуктивностью и т. д.

Следовательно электрические параметры цепи оказываются непрерывно распределенными по ее длине, т.е. ДЛ представляет собой цепь с распределенными параметрами. Т.о. любой участок dx ДЛ можно представить в виде эквивалентной схемы состоящих из сосредоточенных бесконечно малых элементов dL, dC, dR & dG.

Величина dL в схеме характеризует результирующую индуктивность 2-хпроводов бесконечно малого участка линии, dC – величину емкости между проводами, dR – активное сопротивление потерь в проводнике, dG – проводимость утечки в цепи на участке dx, обусловленные не совершенством изоляции между проводами.

РИСУНОК 25

Эквивалентная схема линий конечной длины должна представлять собой последовательность соединения бесконечного множества таких звеньев. Для каждого такого звена можно составить уравнения Кирхгофа и найти U & I в любой точке линии. При выполнении расчетов обычно вместо бесконечно малых величин dL, dC, dR & dG используют так называемые погонные параметры линии т.е. параметры, отнесенные к единице длинны.

L0 = dL/dx – погонная индуктивность. C0 = dC/dx – погонная емкость. R0 = dR/dx – погонная сопротивление потерь. G0 = dG/dx – погонная проводимость утечки. Если величины L0, C0, R0, G0 не меняются по длине линии, то ее называют однородной, а когда погонные параметры изменяются по к/л закону линию называют неоднородной.

В ряде случаев при рассмотрении процессов в линиях работающих на достаточно высоких частотах можно пренебречь потерями энергии в активных сопротивлениях и исключить из расчетов погонные R0 & G0. Такие линии называются линиями без потерь или идеальными линиями. Идеальную однородную линию можно представить в виде последовательно соединенных элементарных ячеек состоящих только из реактивных элементов dL & dC (25б).

Передача информации с помощью 2-х проводной линии

ВЧ энергия сосредоточена в Э и М полях и ее передача по линии связана с распространением этих полей. Провода ЛП при этом определяют направление движения энергии, сама же энергия распространяется в прос-ве, окружающем провода, в виде ЭМВ.

Рассмотрим передачу энергии в идеальной 2-х проводной линии.

РИСУНОК 26

Пусть генератор, вырабатывающий напряжение U=Umcost подключен ко входу идеальной линии бесконечной длины. В момент подключения генератора начинают заряжаться распределенные вдоль линии конденсаторы dC в следствии того что эти элементарные конденсаторы разделены индуктивностями dL процесс заряда распределяется вдоль линии не мгновенно а с некоторой конечной скоростью vЛ. Величина этой скорости зависит только от погонных реактивных параметров линии и определяется выражением: vЛ = с/(L0C0) (12).

Погонные параметры линии зависят от ее типа и размера а так же свойств окружающей среды. Для открытых 2-х проводных линии (22а) погонные реактивные параметры вычисляются по формулам: L0 = (0ln(2a/d)/) C0 = 0/ ln(2a/d) (13), где и относительные диэлектрические и магнитные проницаемости среды окружающей линию, а – расстояние между проводами, d – диаметр проводника. Подставляя значения L0 и C0 из 13 в 12 получим: vЛ = c/() , где с – скорость света. Для линии с воздушным диэлектриком скорость распространения ЭМ энергии близка к скорости света.

Процесс заряда конденсаторов связана с наличием изменяющегося Э поля. Переменное Э поле вызывает появление М поля поэтому оба изменяющихся поля существуют одновременно, обуславливают друг друга и образуют единое ЭМП.

Взаимная связь Э и М полей приводят к тому что изменения их происходит синфазно. Увеличение напряжения одного поля сопровождается увеличением другого поля и наоборот. Этот процесс распространяется вдоль линии со скоростью vЛ.

РИСУНОК 27

Векторы напряженностиЕ иН полей лежат в одной плоскости перпендикулярны направлению распространения ЭМВ. Такие волны называются поперечными ЭМВ или волнами типа ТЕМ. Величина Э поля Е пропорциональна напряжению между проводами линии, а величина М поля Н – току в проводах. Э и М поля в виде ЭМВ распространяются вдоль проводов перенося энергию от генератора в бесконечность. Плотность потока энергии вдоль линии определяется векторным произведением напряженностей М и Э полей: П =Е Н, П – вектор Умова–Пойнтинга. Направление П совпадает с направлением vЛ.

Итак, в бесконечно большой ДЛ волна напряжения и тока и соответствующие им поля движутся от генератора в бесконечность с постоянной скоростью – это означает что бесконечная длинная линия поглощает всю энергию отдаваемую ей генератором.

Напряжение и ток в любом фиксированном сечении линии изменяется по тому же закону, что и напряжение генератора питающего эту линию, но отстает от него по фазе на угол ?х=?х/?л , иначе говоря, напряжение и ток в любом сечении идеальной линии является функциями 2х переменных: расстоянием между сечением и началом линии и временем t. Система из двух уравнений – 1) Ux(x,t)=Um*cos(?t-φx)= Um*cos(ωt-φx)=Um*cos ω(t-x/υλ) 2) ix(x,t)=Im*cos(ωt-φx)=Im*cos ω (t-x/υλ). Эти уравнения описывают так называемые бегущие волны, режим при котором в линии передачи существует только бегущие волны называется режимом бегущих волн. Мы рассмотрели этот режим в идеальной ?-о длинной линии. Реальные длинные линии имеют конечную длину и нагружены на определенное сопротивление. В зависимости от характера сопротивления нагрузки в 2х проводных линиях различают еще режим стоячих волн. Эти режимы описаны в ФОЗИ.

Радиопередающие устройства (РПУ)

Классификация РПУ и их структурная схема

РПУ или радиопередатчики (РП) предназначены для генерирования радиочастотных электрических колебаний определенной мощности и частоты, один из параметров которых изменяется по закону передаваемого сообщения. ЭМК возбуждаемые РП в антенне излучаются в пространство в виде РВ. Современные РП классифицируются по областям применения, способу передачи сообщения, диапазону РВ и т.д. По назначения различают передатчики (ПРД):1) связные; 2) радиолокационные; 3) радионавигационные; 4) телевизионные; 5) радиовещательные и др.

По роду работы связные РП (СРП) делятся на: 1) телефонные; 2) телеграфные; 3) передачи данных и телеуправления.

По мощности РП подразделяются: 1) малой мощности (до 100 Вт); 2) средней мощности (от 0,1 до 10 кВт); 3) мощные (от 10 до 1000 кВт); 4) сверхмощные (свыше 1 МВт)

СРП являются, как правило, маломощные.

По диапазону РВ ГОСТ включает 12 частотных полос в соответствии с таблицей 1 (тема: Основные понятия о передачи информации (лекция №1)).

Типовая структурная схема РПУ имеет вид:

Структура РПУ включает в себя задающий генератор ЗГ, каскады умножителей частоты УЧ, предварительного усиления ПУ, оконечный усилитель мощности УМ, модуляционное (манипуляционное) устройство М, на которое поступает сигнал от источника сообщения ИС. В состав ПРД, как правило, входит так же источник питания ИП, система управления, блокировки и сигнализации или контроля. ЗГ работает в автоколебательном режиме и вырабатывает колебания нужной частоты и заданной стабильности. Обеспечение высокой стабильности, например, с помощью кварцевого резонатора возможно лишь на сравнительно невысоких частотах до десятка МГц. Получение необходимой частоты несущей осуществляется путем умножения частоты ЗГ. Для достижения требуемой мощности сигнала в антенне он подвергается усилению в каскадах ПУ и УМ. Важнейшую функцию в РПУ осуществляет модуляционное устройство. В радиоканалах для передачи сообщения используют радиочастотные модулированные сигналы, т.к. на сравнительно высоких радиочастотах оказывается достаточной излучательная способность антенн при их небольших размерах. В тоже время применение различных радиочастот позволяет разнести информационные каналы по частоте. На модулятор поступает НЧ сигнал от ИС. Им м.б. электрические колебания в микрофоне, сигналы телеграфного или буквопечатающего устройства. В современных каналах связи перед модуляцией сообщение часто кодируют. В этом случае на модулятор от кодера подаются дискретные последовательности сигналов, например разнополярных посылок равной длительности и с определенным законом чередования знаков. Модулятор пот закону сообщения управляет амплитудой фазой или частотой радиочастотного гармонического колебания формируемого в тракте генерирования и умножения частоты. При этом производится амплитудная (АМ), частотная (ЧМ) или фазовая (ФМ) модуляция. Если передаются двоичные коды или телеграфные сообщения, то процедуру модуляции называют манипуляцией и соответствующие способы обработки сигналов обозначают АМн, ЧМн, ФМн. Кроме названных классических видов модуляции в радиосвязи широко используют передачу с одной боковой полосой (ОБП) АМ сигнала.

Основные технические показатели РПУ

Сравнение различных типов РПУ и оценка их возможностей производится на основе анализа их технических характеристик. Рассмотрим основные из них:

Диапазон рабочих частот: ƒнmin-ƒнmax. Он определяет интервал между min и max несущей частотой. Несущей частотой ƒн называют центральную частоту спектра излучаемого АМ, ЧМ или ФМ сигналом. В процессе работы ПРД может перестраиваться на новую рабочую частоту в пределах диапазона. При этом возможна плавная и дискретная перестройка на одну из фиксированных частот.

Ширина полосы частот радиосигнала ∆ƒс. Она определяется как ширина спектра радиосигнала, т.е. разность между верхней и нижней частотами спектра. Величина ∆ƒс может изменяться в широких пределах от десятков-сотен Гц для телеграфной связи до единиц-сотен МГц в импульсных РЛ устройствах.

Стабильность частоты ПРД. Она оценивается относительным отклонением рабочей частоты ƒн от заданной ƒ0:: δƒ=(/ƒн-ƒ0 /)/ƒ0. Величина δƒ называется относительной нестабильностью частоты ПРД. Она не должна превышать допустимой нестабильности δƒдоп. Высокая стабильность частоты ПРД позволяет сузить полосу частот, выделяемого для каждого радиоканала, и тем самым снизить уровень помех и шумов и уплотнить каналы. Она является важным фактором при введении бес подстроечной связи на заранее выбранных фиксированных частотах. Особое значение имеет высокостабильная работа ПРД при однополосной передаче, т.к. от нее существенным образом зависит качественное восстановление сообщения в приемнике. В современных КВ ПРД достигнуто значение δƒ≈10-7, что на частоте в 30 МГц дает уход частоты ∆ƒ≤3 Гц.

Выходная мощность ПРД Рвых. Требования к этому параметру задаются в зависимости от назначения ПРД, выбора рабочей частоты условий распространения радиоволн, уровня радиопомех и т.д. Для связи внутри предприятия (т.н. «уоки-токи») ПРД имеет выходную мощность в единицы-десятки мВт, у передвижных связных радиостанций выходная мощность м.б. в единицы-десятки Вт, а в импульсных самолетных РЛС она может достигать сотен кВт в импульсе.

Качество передачи информации. Оно оценивается искажениями модулирующего параметра, т.е. переносчика сообщения. Степень линейных искажений в основном определяется фильтрующими элементами тракта формирования радиосигнала, например передача речи в пределах стандартного телефонного канала с полосой 0,3 – 3,4 кГц при АМ несущей требует применения полосовых фильтров с высокой избирательностью и шириной полосы пропускания 6,8 кГц. Наряду с линейными искажениями связанные с неравномерной фильтрацией спектра радиосигнала, в ПРД возникают нелинейные искажения при попадании рабочей точки транзистора в область насыщения или отсечки. Эти искажения порождают т.н. побочные и внеполосные излучения, создающие помехи в других радиоканалах.

Кроме перечисленных параметров важными являются надежность, удобство в эксплуатации и при ремонте. Наличие встроенного контроля, устойчивость к внешним воздействиям (изменению температуры внешней среды, ее влажности и давления, ударам, вибрации и т.д.), а также габариты, масса, стоимость и др.

Устройства преобразования исходной информации в электрические сигналы

Сообщение как форма передачи информации может иметь различную физическую природу – акустическую, световую, тепловую, механическую и т.д. Для передачи сообщений по электрическим и радиоканалам необходимо преобразовать их в электрические сигналы. Для этого используются преобразователи и датчики. Преобразование звуковых колебаний в электрические осуществляются электроакустическими преобразователями, визуальные сообщения преобразуются в электрические сигналы с помощью фотоэлементов или передающих TV трубок, угол поворота механизма регистрируется в электрической форме через сельсин-датчик. Преобразователи формы сообщений т.о. характеризуются большим разнообразием типов. Для передачи речи в радиосвязи используются ларингофоны и микрофоны. Ларингофон – это преобразователь механических колебаний гортани человека в электрические колебания.

Осн. элементом ларингофона является капсула цилиндрич. формы с малым расстоянием между торцами. Параллельно торцевым стенкам корпуса расположены токопроводящие пластины, к кот. прикладывается напряжение Uист-ка питания. Между подвижной металлич. пластиной 1, т.е. мембраной и неподвижным угольным электродом 3 имеется полость, заполн. угольным порошком 2. Колебания мембраны пропорц-но изм-ют. плотность угольного порошка и тем самым его сопротивление и ток. Колебания тока, пропорц-ные механич. колебаниям мембраны, через трансф-тор подаются на усилитель.

Микрофон - это преобразователь акустич. колебаний в эл-кие. Устройство и принцип действия угольного микрофона аналогичны ларингофону. Осн. требованиями, предъявляемыми к электроакустич. преобразователям, явл. достаточная чувствительность и низкий уровень нелин. искажений. Угольные микрофоны и ларингофоны обл-ют высокой чувствительностью, но низким кач-вом передачи речи. Поэтому при повыш. треб-ях к кач-ву связи прим-ся электродинамич., конденсаторные и пьезоэлектрич. микрофоны. В электродинамич. микрофонах подвижная катушка, закрепленная в центре мембраны, двигается в магн. поле пост. магнита. В катушке наводится ЭДС, кот. затем усил-ся в ус-лях. В конденсаторных микрофонах чувств. элементом явл. конденсатор с одной подвижной обкладкой. При изм-нии емкости через конденсатор течет ток перезаряда, пропорциональный акустич. колебаниям. В пьезоэлектрич. микрофонах акустич. колебания порождают мех. колебания кристалла пьезоэл-ка, что в свою очередь вызывает наведение ЭДС на его выводах. Электродинамич. микрофоны имеют ср. чувствительность, низкие нелин. искаж-я и вых. сопротивление, довольно высокий уровень вых. сигнала. Конденсаторные имеют высокую чувствительность, очень низкие нелин. искаж-я, высокое вых. сопротивление и низкий уровень вых. сигнала. Пьезоэлектрич. микрофоны имеют примерно такие же параметры, но их вых. сигнал имеет большую величину.

Обратное преобразование электрич. сигналов в акустич-е на приемной стороне осуществляется с пом. телефонов и динамиков.

В наст. время всё большее значение приобретают цифровые методы передачи непрер-ных, в т.ч. и речевых, сообщений. Их сущ-ть состоит в замене непрерывного изменяющегося сигнала дискретной последовательностью отсчетов (временная дискретизация сигнала) и передачи каждого отсчета с пом. цифры в форме двоичн. кода. Подобное преобразование сообщения АЦП. Обратное преобразование цифры в непрерывный сигнал в приемнике производится ЦАП. Цифровая передача сообщений перед способами непр-ной передачи имеет неоспоримые преимущ-ва: 1) повыш. помехозащищ-ть; 2) скрытность; 3) трудность ведения р/разведки; 4) возможность сопряж-я с ЭВМ и автоматизацией работы канала; 5) высокую ск-ть передачи сообщений; 6) создание унив-ных каналов передачи как непрерывных (после АЦП), так и дискретных сигналов (буквенно-цифр-го текста, команд телеуправл-я и др. данных).

Упр-ние колебаниями ВЧ в р/передатчиках

Процесс управления амплитудой, частотой или фазой р/частотного колебания наз. модуляцией. Этот процесс осуществляется в модуляторе передатчика. Обр. процесс (демодуляция) или восст-ние исх. сообщения производитсядемодулятором приемника. В нек. совр. приемо-передатчиках модулятор и демодулятор м. вып-ся в одном блоке, наз. модемом. В общ. виде р/частотное колеб-е м.б. описано выраж-ем: U(t)=U(t)cos[ωнt+φ(t)] (1), где U(t) – огибающая сигнала; ωн – частота несущей; φ(t) – откл-ние фазы колебания от фазы несущей ωнt. Аргумент косинуса ψ(t)=ωнt+φ(t) (2) наз. полной фазой сигнала, а его производная ω(t)=dψ(t)/dt=ωн+dφ(t)/dt (3) – мгнов. частотой. Обр. зав-ть опр-ся как первообразная  (4). В зав-ти от того, на какой из пар-ров сигнала U(t) воздействует сигнал λ(t), разл-ют АМ, ЧМ и ФМ. При АМ огибающая сигнала пропорц-на модулирующему сигналу, остальные параметры остаются неизм-ми. При ФМ или ЧМ модулирующий сигнал изм-ет мгнов. фазу или мгнов. частоту сигнала соотв-но на U(t)=k1λ(t) (5), φ(t)=k2λ(t) (6), ω(t)=k3λ(t) (7). Здесь ki – коэф-ты пропорц-ти. Согл-но последнему выраж-ю и выраж-ю (3) при ФМ частота сигнала изм-ся пропорц-но производной λ(t), а при ЧМ – пропорц-но λ(t). Наряду с сигналом, промодулир. одним из пар-ров, широкое применение находит однополосная р/передача (ОБП). Сигнал с ОБП относ-ся к сигналам со смешанной АФМ, что требует прим-я спец. методов восст-я инф-го пар-ра при приеме. По ряду причин ФМ при передаче непрерывных сообщений не исп-ся. Она исп-ся при форм-нии сигналов с импульсной, т.е. дискретной модуляцией.

Построение модуляторов

Амплитудные модуляторы

Из всех видов модуляции АМ находит наиб. применение при передаче непрерывных сообщений ввиду простоты приемо-передающих устр-в. Схема транз. модулятора и врем. диаграммы его работы имеют вид:

Рисунок 3

На два трансф-ных входа Т1 и Т2 подаются НЧ модулирующее напряжение Uλ(t) и ВЧ колебания Uн(t) c частотой несущей ωн. Модуляция одним тоном с частотой Ω, напряжение между базой и эмиттером выраж-ся суммой Uбэ=U1cosΩt+U2cosωнt-Eб. Выбирая рабочую т. с пом-ю Еб так, чтобы обеспечить режим с отсечкой коллекторного тока (рис.3,б), получим изм-е тока iк(t) подобно модулированному сигналу, но усеч. снизу (рис.3,в). В коллекторной цепи в кач-ве нагрузки имеется колеб. контур, настроенный на частоту ωн. Под возд-ем импульсов тока в контуре возникают колебания тока с положит. и отрицат. полярностями. В рез-те в вых. обмотке трансф-ра Т3 наводится напряжение U(t), имеющее вид амплитудно модулированного сигнала: U(t)=(Um+ΔU·cosΩt)cosωнt=Umcosωнt+½mUmcos(ωн-Ω)t+½mUmcos(ωн+Ω)t (8), где m=ΔU/Um≤1 и наз. коэф-том АМ. Спектр АМ-сигнала согласно выраж-ю (8) содержит несущую на частоте ωн с амплитудой Um и две боковые составляющие на частотах (ωн±Ω) c амплитудами ½mUm. Амплитуды боковых составляющих по кр. мере вдвое меньше несущей, а мощность по кр. мере в 4 раза меньше. Это означает, что даже при m=1 мощность несущей вдвое больше боковых составляющих, несущих полезную инф-цию.

Иными словами, только 1/3 полной мощность АМ сигнала является полезной. Это недостаток АМ. Кроме того, осуществленные изменения уровня излучаемого сигнала свидетельствует о неэффективном использовании мощности ПРД. Низкие энергетические характеристики АМ сигнала и как следствие низкая помехоустойчивость их приема привели к разработке более эффективных систем передачи, в частности с ЧМ и ОБП.

Частотная модуляция

При ЧМ модулирующий сигнал λ(t) вызывает пропорциональное изменение мгновенной частоты ω(t) генератора: ω(t)=kλ(t). Если |λ(t)|≤1, т.е. значения λ нормированы к своей max величине, то Δω - собой девиация частоты (max отклонение мгновенной частоты от частоты несущей ωН). Естественным способом формирования ЧМ сигнала является изменение колебаний автогенератора по закону модулирующего сигнала λ(t). Т.к. частота автоколебаний определяется вблизи резонансной частоты ω0=1/LC колебательного контура генератора, можно варьировать ω0 изменением, например емкости C (рис.3а). Достижение высокой скорости изменения емкости (при управляющем сигнале в единицы кГц) возможно лишь ее электронной перестройкой. Это осуществляется с помощью п/п приборов, называющихся варикапами. Емкость закрытого p-n перехода варикапа CВ понижается с возрастанием отрицательного смещения – ЕСМ.

РИСУНОК 4

Выбрав рабочую точку постоянным смещением – ЕСМ в середине линейного участка характеристики СВ(Е) как показано на рис. 4а и подавая на варикап модулирующее напряжение (t), получим пропорциональное изменение емкости СВ(Е)~(t). Вариации емкости вызывают изменение резонансной частоты контура автогенератора (АГ) (рис. 4б) и соответственно генерируемой частоты. В результате АГ вырабатывает ЧМ колебания. В случае тональной модуляции λ(t)=cos(Ωt) согласно выражениям (4) и (9) получим . Здесь отношение Δω/Ω=Δf/F=mЧ называется индексом ЧМ.

Он хар-ет отнош-е девиации Δω к частоте несущего сигнала, а также макс. отклон-е фазы от фазы несущей при тональной модуляции. От индекса mЧ сущ-но зависит спектр ЧМ сигнала.

Если разл-ть выраж-е (10) в ряд Фурье, то он будет содержать гармонич. составляющие с частотами ωH, ωH±Ω, ωН±2Ω,… Амплитудно-частотные спектры этих составляющих при разл. mЧ приведены на рис.5абвг. Нетрудно видеть, что с ростом mЧ пропорц-но расширяется спектр сигнала. Случай с mЧ=1 принято наз-ть узкополосной ЧМ. При широкополосной ЧМ ширина спектра приблизаконо опред-ся соотнош-ем ΔfЧМ≈2mЧF=2Δf (11), т.е. равна удвоенной девиации частоты. Если при узкополосной ЧМ спектр, как видно из рис.5 практически мало отлич-ся от спектра АМ, то переход к широкополосной ЧМ приводит к расш-нию спектра по сравн-ю со спектром АМ в mЧ раз. Напр., при передаче речи в стандартном телефонном канале с макс. частотой 3,4 кГц при АМ имеем ΔfАМ=2F=6,8 кГц, а при ЧМ с mЧ=10 ΔfЧМ≈2mЧf=68 кГц. В связи с этим широкополосная ЧМ исп-ся лишь на сравн. высоких частотах в диап-не МВ и более коротких, где частотная плотность р/излучений сравн. невелика. Переход от АМ к ЧМ как правило обеспеч-ет выигрыш в отношении сигнал/шум на выходе приемника в 10-100 раз. В знач. мере ув-е помехоустойч-ти ЧМ обусловлено более рациональным распред-ем мощности в спектре сигнала: доля мощности несущей очень мала по сравн-ю с мощностью полезных боковых составляющих. Вместе с тем постоянство амплитуды ЧМ сигнала позволяет эф-ней исп-ть мощность передатчика.

Однополосная передача

В КВ радиосвязи однополосная передача данных является основным видом передачи речевых сообщений. Это вызвано рядом достоинств сигналов с ОБП. Сигнал с АМ при передаче сложного, например речевого, сообщения содержит в спектре вместо одинарных боковых составляющих (рис 5а) полосы двойную составляющую. Изобразим схематически спектр речи с min частотой F1=0,3 кГц и max Fm=3,4 кГц (стандартный телефонный канал) и соответствующий ему спектр сигнала с АМ, включающий вместе с несущей верхнюю боковую полосу (ВБП) и нижнюю (НБП). Поскольку вся полученная информация заключена в колебаниях разностной частоты между несущей и боковыми, то достаточно использовать лишь одну боковую полосу (верхнюю или нижнюю). При этом несущая и другая боковая полоса могут быть подавлены. Значения ВБП и НБП можно сравнить с позитивом и негативом в фотографии: наличие одного из них однозначно определяет другой. Спектр сигнала с ОБП, полученный путем фильтрации ВБП из спектра АМ сигнала показан на рис.6б.

\

Переход к ОБП устраняет частотную избыточность АМ сигнала и существенно улучшает КПД ПРД. Достоинствами ПРД с ОБП являются: 1) вся мощность ПРД затрачивается на одну боковую полосу, что при передаче речи дает приблизительно десятикратный выигрыш по полезной мощности ПРД по сравнению с АМ; 2) вдвое сужается, по сравнению с АМ, необходимая полоса пропускания канала – с одной стороны это обеспечивает понижение вдвое мощности шумов и возрастание отношения сигнал-шум на входе приемника, с другой стороны в освободившейся полосе частот можно передавать информацию другого канала, т.е. вести двухканальную связь; 3) повышается скрытность ведения связи, т.к. обычный приемник с амплитудным детектором (АД) сигналы с ОБП воспринимает как помеху, т.е. для восстановления сообщения требуется демодулятор.

При формировании сигнала с ОБП наибольшее распространение получил метод последовательных преобразований с фильтрацией. Структурная схема тракта формирования однополосного сигнала ПРД, реализующего метод последовательных преобразований имеет вид показанный на рис. 7.

РИСУНОК 7

Исходный сигнал (t), например речевой, в балансовом модуляторе БМ-1 подвергается первому преобразованию частоты. Спектр БМ-ного сигнала на выходе БМ-1показана на рис.7б. В отличие от АМ сигнала он не содержит несущей. Частота 1 гетеродина Г1 сравнительно невелика примерно 100 кГц. Это дает возможность качественно отфильтровать одну из боковых полос высоко избирательным кварцевым фильтром КФ-1 (ВБП на рис.7б). Т.о. однополосный сигнал сформирован уже на выходе КФ-1, дальнейшая задача состоит в смещении спектра из области не высоких частот 1 в область несущей частоты излучаемого сигнала. Она решается путем дополнительного преобразования частоты с помощью БМ-2 и ПФ-2 (рис.7в). Частота Г2 значительно превышает 1 и выбирается так чтобы 1+2=H. Усилитель У обеспечивает требуемую мощность на выходе ПРД. Принципиальным фактором при формировании однополосного сигнала является стабильность частоты. Дело в том, что демодуляция сигнала с ОБП осуществляется путем восстановления несущей в ПРМ. Сообщение выделяется как колебания несущей частоты между боковыми составляющими и несущей. Нестабильность частоты ПРД и гетеродина ПРМ приводит к сдвигу восстановленной несущей 0 относительно H передающего сигнала. Этот сдвиг получил название асинхронизма и оценивается величиной a = H + 0. Асинхронизм приводит к сдвигу спектра сигнала после демодуляции на величину a при этом сообщение сильно искажается.

Допустим, при передаче речи считается асинхронизм в несколько десятков Гц. Это требует обеспечение высокой стабильности частоты ПРД и гетеродина (Г) ПРМ, что в современных радиостанциях (РСт) составляет 10–5%. Качественная стабилизация частоты усложняет и удорожает приемопередающие устройства однополосной РСт. В связи, с чем однополосная радиосвязь использовалось до сих пор в основном в системах государственного значения, в том числе военных.

Мы рассмотрели способы передачи сигнала с непрерывной, т.е. аналоговой модуляцией. Основной и существенный недостаток всех видов модуляционных сигналов это практическое отсутствие помехозащиты. Целесообразным и все более актуальным является использование составных сигналов построенных на основе дискретных, часто двоичных, модулирующих сигналов. Сигналы с дискретной модуляцией (ДМ) относятся к классу манипулированных.

Передача сигналов с амплитудной и частотной манипуляцией

При передаче двоичных кодов и команд телеуправления используются одинаковые по структуре сигналы: сигналы с амплитудной, частотной и фазовой манипуляцией (АМн, ЧМн и ФМн).

Двоичный код может представлять собой последовательности постоянных на тактовом интервале Т0 напряжений с двумя возможными состояниями 1 и 0 в случае посылок одной полярности или +1 и –1 при разнополярных посылках.

Рисунок 8

На рис.8а показаны посылки в виде 1 и 0, спектр такого сигнала (рис.8б) имеет огибающую типа |sinx/x| и содержит нечетные гармоники с частотами 1/2T0, 3/2 T0, 5/2 T0… При манипуляции в манипуляторе ПРД символы «1» и «0» преобразуются в радиосигналы U1(t) и U2(t). В частности при АМн эти сигналы выражаются следующим образом: U(t) = {U1(t) = Umcos0t, kT0 < t  (k + 1)T0, U2(t) = 0 (13).

Последовательность чередующих элементов АМн сигналов и его спектр приведены на рис.8в и рис.8г. Из за разрывов в излучении АМн называют сигналом с пассивной паузой. Скорость передачи двоичных сигналов определяется как v0 = 1/T0 измеряется в бод (число знаков в секунду). Скорость передачи двоичных сообщений в современных каналов имеет значения от 10 бод до 106 бод. Для передачи данных и речи используются стандартные скорости 1200, 2400, 4800 бод. Ширина спектра АМн сигнала определяемая как ширина главного лепестка функции |sinx/x| (рис.8г): АМн 2/T0 = 2v0, т.е. пропорциональна скорости передачи. Формирование АМн сигнала может осуществляться как с помощью обычного амплитудного модулятора (рис.3а) при 100% модуляции m = 1 так и специальными схемами. Например, дискретно смещая рабочую точку АГ, получим перевод его из режима авто генерации к срыву колебаний и обратно. Используются так же управляемые электронные ключи, которые в заданные интервалы времени подключают к тракту усиления задающий генератор.

Недостатком АМн сигнала, как и всех АМ сигналов является, низкие энергетические характеристики – это обусловлено наличием избыточности несущей составляющей и пассивной паузой. Второй недостаток можно устранить – заполнить 1  2. При этом получим сигнал с ЧМн содержащий элементы: U(t) = {U1(t) = Umcos1t, kT0 < t  (k + 1)T0, U2(t) = Umcos2t. Причем обычно 2 < 1.

Временная диаграмма ЧМн сигнала и его спектр имеет вид, показанный на рис.9.

Поскольку сигнал с ЧМн может быть представлен как сумма двух АМн сигналов с частотами посылок 1 и 2 его спектр складывается из спектров этих сигналов (рис.9б). На рисунке приведен случай когда сдвиг между частотами 1 – 2 = 12 равен удвоенной скорости передачи 2/T0 что обеспечивает не перекрытие главных лепестков спектров и следовательно качественное частотное разделение при приеме. Очевидно что в этом случае ширина спектра ЧМн сигнала ЧМн 4/T0 = 4v0 (16) в двое больше чем при АМн. При увеличении скорости передачи требуется увеличивать сдвиг между частотами 12 и ширину пропускания ПРМ в соответствии с соотношением 16. Расширение спектра является недостатком ЧМн сигнала однако он оправдывается увеличением средней мощности сигнала в двое по сравнению с АМн за счет активных пауз и ростом помехоустойчивости.

На практике АМн применяется в основном при ручной телеграфной работе что объясняется удобством приема на слух в этом режиме. Связь между буквопечатающими аппаратами и автоматизированная высокоскоростная передача данных и команд телеуправления производится чаще всего при ЧМн.

В настоящее время находит применение передача двоичных сигналов с ФМн со сдвигом фазы на 180 градусов (U1(t) и U2(t) противоположны по знаку), такие сигналы обладают рядом достоинств: 1) ширина спектра такая же как и при АМн; 2) в спектре ФМн сигналов отсутствует составляющая несущей частоты, что вместе с наличием активной паузы обеспечивает 4-х кратный энергетический выигрыш в мощности информационных боковых составляющих по сравнению с АМн. В конечном счете это дает существенный выигрыш в помехоустойчивости в системах ФМн как и перед АМн так и перед ЧМн сигналами.

Умножение и деление частоты

Вместе с модуляционными устройствами очень важную задачу в ПРД выполняет устройство формирования радиочастотных гармонических колебаний – возбудителей. Они предназначены для создания во всем диапазоне частот ПРД сравнительно-маломощных колебаний которые затем подвергаются модуляции и усилению. Одно из основных требований к ПРД это обеспечение требуемой стабильности частоты. Применение в возбудителях диапазонных стабилизированных LC генераторов не позволяет получить стабильность выше 10–5. Поэтому для повышения стабильности в существующих системах передачи связь ведется на фиксированных частотах стабилизированных с помощью кварцевых резонаторах.

Первые стабилизированные ПРД строились по принципы «один кварц – одна частота», т.е. число возможных частот связи ограничивалось количеством используемых кварцев.

При этом кварцевые генераторы (КГ) вырабатывают высокостабильные колебания на частотах до 10…30 МГц, т.к. на более высоких частотах кварцевые резонаторы теряют свои свойства. Дальнейшее повышение частоты до рабочей частоты ПРД производится путем умножения частоты. Принцип работы умножителя частоты (УЧ) основан на выделении требуемой гармоники спектра ограниченного колебания узкополосного фильтра (УПФ). Структурная схема и диаграмма работы УЧ имеет вид показанный на рис.10.

На рис.10б и 10в показаны временная диаграмма и спектр ограниченного снизу синусоидального напряжения КГ. Т.к. всякое негармоническое периодическое колебание имеет спектр Фурье с кратными гармониками (k = 1,2,3,…), то с помощью УПФ можно отфильтровать одно из них, например с номером 10 = n. С ростом номера гармоники k их амплитуды уменьшаются. Обычно фильтруют гармоники с номерами 2, 4, 6, 8, 10. При необходимости применяют повторное умножение частоты.

Многокварцевая стабилизация частоты громоздко, не экономично и не дает большого числа частот связей. В существующих современных возбудителях применяется одно-кварцевая стабилизация частоты. С созданием так называемой сетки частот, т.е. дискретных значений рабочих частот с равными интервалами между ними. В КВ РСт например применяются ПРД с сеткой примерно 280 тыс. фиксированных частотами следующими с интервалом 100 Гц и не прерывающий диапазон шириной около 28 МГц. В авиационных УКВ РСт используются сетки частот с интервалами в 1 кГц перекрывающий диапазон шириной свыше 200 МГц. Применение одного КГ с термостатированием позволяет достичь очень высокой стабильности с относительным уходом частоты до 10-7..10-8.

Формирование сетки частот осуществляется сложными схемами работающих по принципу многократного умножения и деления частоты и фильтрации различных комбинаций частот в смесителях. Деление частоты на два наиболее просто осуществляется с помощью триггера. А с помощью N триггеров можно произвести деление частоты на 2N. Прямоугольная форма выходных импульсов триггеров не принципиальна – от меандра всегда можно перейти к гармоническим колебаниям путем фильтрации первой гармоники. С помощью цифровых элементов легко реализуется делители с нецелыми коэффициентами например 3,5.

Совершенствование РПУ идет по двум основным направлениям:

Основывается на улучшении технологии, за счет применения новой электронной базы, РВ том числе п/п элементов и ИМС. При этом снижается габариты и вес, повышается экономичность и надежность ПРД.

Использование новых более эффективных способов передачи с применением сложных сигналов с повышенной помехоустойчивостью и быстродействием.

Радиоприемные устройства

Структура радиоприемных устройств

Радиоприемное устройство предназначено для приема радиосигналов (э.м. колебаний несущих информацию), их удаления, преобразования и извлечения из них передаваемой информации. Радиоприемное ус-во имеет след. структуру.

Рисунок 1

Назначение отдельных узлов структуры опред-ся основными ф-циями выполняемыми каждым радиоприемным устройством. К ним относятся:

1. Преобразование э.м. поля сигнала в ВЧ токи и напряжения. Такое преобразование выполняет антенна.

2. Выделение колебаний с частотой принимаемого сигнала и эффективное подавление радиосигналов на других несущих частотах, т.е. осуществление частотной избирательности сигнала. Эта задача решается избирательными системами входящими в тракт ВЧ.

3. Детектирование принятого сигнала, т.е. выделение напряжения соответствующего модулирующему сигналу с помощью которого передается полезное сообщение. Эта задача, в зависимости от вида модуляции сигнала, решается амплитудным, частотным или фазовым детекторами.

Основная обработка принятого сигнала производится в трех основных звеньях радиоприемного ус-ва: в ВЧ тракте, детекторе и НЧ тракте. Эту часть принято называть радиоприемником. В зависимости от схемного выполнения ВЧ тракта радиопр-ки раздел-ся на 2 осн-ных типа: приемники прямого усиления и супергетеродинные ПРМ.

Основные параметры радиоприемных устройств

К осн-ным техническим показателям приемников относятся чувствительность, избирательность, качество воспроизведения сигнала, диапазон рабочих частот.

Чувствительность радиоприемника – мера его способности обеспечивать прием слабых радиосигналов. Она характеризуется минимальной ЭДС а сигнала в приемной антенне, кот-я обеспечивает нормальное функционир-е исполнительного ус-ва. Чем меньше ЭДС требуется для нормального приема, тем выше чувствительность радиоприемника. Поскольку в случае приема модулированных радиосигналов выходное напряжение и мощность зависят от коэффициента и частоты модуляции принимаемого сигнала, то для сравнения чувствительности приемников ее определяют при частоте модуляции F=1000Гц и коэффициенте модуляции m=30%. Для связных приемников ЧМ сигналов нормально модулированным сигналом считается сигнал с индексом ЧМ mf=0.3 при той же частоте модуляции F=1000Гц. Чувствительность зависит от максимально возможного в данном приемнике усиления принимаемых сигналов, однако, увеличение усиления ограничено наличием шумов и помех на входе приемника и в тракте усиления. Очевидно, уровень полезного сигнала на выходе приемника д.б. выше уровня помех и шумов. Для характеристики сигнал/шум на выходе, исп-ся понятие реальной и пороговой чувствительности. Реальной чувствительностью приемника называют чувствит-ть кот-я определяется минимальным уровнем сигнала на его выходе при заданном отношении уровней полезного сигнала и шуме на выходе приемника. Обычно это отношение берут равным 3 для связных приемников и 10 для приемников звукового вещания. На ДВ, СВ и КВ повышение чувствительности приемника ограничивается, в основном, уровнем внешних помех создаваемых грозовыми разрядами, промышленными радиоустановками, посторонними радиостанциями и т.д. В диапазоне УКВ чувствит-ть приемника ограничивается, в основном, внутренними шумами самого приемного устройства, включая шумы космического происхождения. В зависимости от типа оконечного прибора и условий регистрации полезного сигнала требуемое отношение сигнал/шум на выходе приемника может быть различным. Поэтому для сравнения, собственно, приемников, введено понятие пороговой чувствительности приемника. Пороговой чувствительностью называют чувствительность приемника определяемую линейным уровнем радиосигнала на его входе при равных уровнях полезного сигнала и шума на выходе приемника.

Избирательность приемника – его свойство отличать полезный радиосигнал от помех по определенным признакам свойственных радиосигналу. Мешающее действие помех можно существенно ослабить разумным применением различных способов избирательности. Частотная избирательность количественно характеризует способность приемника выделять из всех радиочастотных колебаний и радиопомех действующих на его входе, радиочастотный сигнал соответствующий частоте настройки приемника. Частотная избирательность применяется во всех без исключения радиоприемных устройствах, поскольку эффективное усиление радиосигнала в приемнике возможно только с помощью резонансных, т.е. частотно-избирательных усилителей. При оценке частотной избирательности рассматривают 2 вида избирательности: избирательность по соседнему каналу, избирательность по дополнительным каналам приема. Количественно избирательность приемника оценивается отношением его резонансного коэффициента усиления к коэф-ту усиления на частоте соседнего (fск) или дополнительного (fдк) канала. Secr=k0/(k(fск)), Seдк=k0/(k(fдк)). При супергетеродинном приеме основным дополнительным каналом приема является т.н. зеркальный канал. Стремление повысить избир-ть приемника приводит к уменьшению полосы пропускания, что увеличивает искажения полезного сигнала. Это противоречие разрешается применением колебательной системы с резонансными характеристиками близкими по форме к прямоугольной (рис.2, кривая 2).

При такой форме резонансной характеристики условие прохождения одинаково для всего спектра полезного сигнала, а помехи по соседним каналам f’ и f’’ эффективно подавляются в отличие от обычной резонансной характеристики (кривая 1, рис.2).

Пространственная избирательность осуществляется с помощью направленных приемных антенн и позволяет существенно ослабить уровень внешней помехи на входе приемника, если напряжения на источнике сигнала и помехи заметно различаются между собой. Наибольшее распространение этот вид получил в диапазоне СВЧ, где легко осуществимы остронаправленные приемные антенны. Временная избирательность м.б. реализована, если момент появления сигнала на входе приемника известен достаточно точно. Этот вид избирательности часто исп-ся в импульсных РЛ приемниках со стробированием. В режиме стробирования приемник работает только в короткие интервалы времени соответствующие ожидаемому приему отраженных импульсных сигналов. Все остальное время вход приемника заперт, что снижает мешающее действие помех.

Качество воспроизведения сигналов определяется степенью искажений вносимых в сигнал радиоприемником. В связных приемниках искажения проявляются в виде плохой разборчивости речи, изменении тембра звучания и т.д. При отсутствии искажений закон изменения напряжения на выходе приемника точно соответствует закону модуляции ВЧ сигнала в антенне. Искажения вносимые приемником можно разделить на линейные и нелинейные. Линейные искажения обусловлены линейными элементами каскадов приемника (паразитные емкости и индуктивности) и зависят от амплитуды принимаемого и усиливаемого сигнала. Они проявляются в неравномерном усилении отдельных гармонических составляющих сигнала (амплитудно-частотные искажения) и в нарушении фазовых соотношений между гармоническими составляющими сигнала (фазо-частотные искажения). А-Ч искажения в приемниках радиотелефонных сигналов приводят к снижению разборчивости речи и изменению тембра звуков. Нелинейные искажения вызываются наличием нелинейных участков ВАХ транзисторов и попаданием рабочей точки на эти участки. В результате в спектре сигнала появляются новые гармонические составляющие. Это изменяет звук или изображение воспроизводимое оконечным устройством приемника.

Диапазон рабочих частот приемника. Рабочие частоты приемника м.б. заданы частотным диапазоном в пределах которого обеспечивается плавная перестройка (вещательные приемники), или набором фиксированных частот (связные приемники). Полный диапазон перестройки приемника обычно разбивается на ряд поддиапазонов. Отношение крайних частот поддиапазона называется коэффициентом перекрытия поддиапазона. В этом случае в пределах каждого поддиапазона настройка производится конденсатором переменной емкости, а при переходе с одного поддиапазона на другой переключают катушки индуктивности. От приемника требуется, чтобы его основные параметры оставались в пределах допустимых величин при настройке на любую частоту заданного диапазона.

Структурные схемы радиоприемников

Обобщенная структурная схема приемника прямого усиления имеет вид.

Рисунок 3

ВЧ тракт состоящий из избирательной входной цепи ВЦ и усилителя радиочастоты УРЧ содержит минимальное число блоков необходимых для осуществления перечисленных выше ф-ций радиоприемного ус-ва (1,2,3). Приемник прямого усиления характеризуется тем, что ВЧ тракт осуществляет усиление и частотную избирательность непосредственно на частоте принимаемого сигнала. Этим обусловлено название приемника такого типа. Входная цепь служит для предварительной избирательности полезного сигнала и передачи его на следующий каскад. УРЧ помимо обеспечения частотной избирательности должен усилить принимаемый сигнал мощность которого на входе приемника намного меньше необходимой для нормальной работы УНЧ. Сигнал м.б. усилен как в ВЧ, так и в НЧ тракте, но коэффициент усил-я д.б. такой, чтобы обеспечить нормальную работу детектора (Д).

Амплитуда входного сигнала, начиная с которой электрические показатели детектора становятся достаточно высокими, равна 0.5-1В - в зависимости от типа детектора. Т.о. коэффициент усиления УРЧ выбирается так, чтобы напряжение на его выходе обеспечивало линейный режим детектирования. В простейшем варианте НЧ тракт приемника состоит из УНЧ, который усиливает выходное напряжение детектора до уровня необходимого для нормальной работы динамика или другого исполнительного устройства. Приемники прямого усиления обладают серьезными недостатками: плохой избирательностью, низкой чувствительностью, неравномерным усилением по диапазону.

Супергетеродинные приемники (СГП) обладают лучшими характеристиками и параметрами, чем приемники других типов. СГП имеют следующую структурную схему.

В СГП во входной цепи ВЦ и УРЧ осуществляется лишь предварительная избирательность и усиление полезного сигнала. Поэтому ВЦ и УРЧ называют преселектором. С выхода УРЧ сигнал воздействует на преобразователь частоты ПЧ состоящий из смесителя СМ и гетеродина Г (маломощного автогенератора). Частота гетеродина fг отличается от частоты сигнала fc на т.н. промежуточную частоту fпр. Напряжение сигнала и гетеродина подаются на СМ где происходит преобразование модулированных колебаний с частотой принимаемого сигнала в колебания более низкой промежуточной частоты. При этом закон модуляции сигнала остается неизменным. При перестройке приемника, т.е. с изменением fc частота Г также изменяется, а промежуточная частота остается неизменной. Полученное напряжение промежуточной частоты подается на УПЧ, где осуществляется основное усиление и основная избирательность сигнала.

По сравнению с приемниками прямого усиления СГП обладают следующими достоинствами.

1. Ввиду того, что основное усиление осуществляется на неизменной промежуточной частоте,в УПЧ могут применяться полосовые фильтры обладающие резонансной характеристикойблизкой по форме к прямоугольной. Это обеспечивает высокую избирательность и равномерное усиление в полосе пропускания приемника позволяя выбирать нужную полосу пропускания независимо от частоты принимаемого сигнала. 2. Благодаря тому, что ПЧ м.б. выбрана достаточно низкой, можно получить весьма высокий коэффициент усиления УПЧ и приемника в целом без нарушения устойчивости его работы. Практически, чувствительность СГП ограничивается только уровнем внешних помех и внутренних шумов. 3. Поскольку основное усиление и избирательность сигнала осуществляется на неизменной ПЧ, качественные показатели приемника в целом становятся более постоянными в пределах всего диапазона принимаемых частот.

Недостатки СГП: 1. Наличие паразитных, т.е. дополнительных каналов приема. Основной паразитный канал приема носит название зеркального. 2. Возможно возникновение т.н. комбинационных свистов. 3. Гетеродин, как маломощный передатчик может создавать помехи для близко расположенных радиоприемных устройств.

При проектировании СГП все перечисленные недостатки м.б. устранены, причем их устранение достигается в осн. рациональным выбором величины пром. частоты и режимом работы преобраз. каскада. Дост-ва СГП обуславливает то, что только этот тип приемников способен обеспечить высокое ус-ние и избир-ть во всех р/частотных диапазонах. Поэтому супергетеродинный метод приема в наст. время считается основным.

Преобразования частоты в р/приемных устройствах

Особ-ю супергетеродинного устройства явл. наличие преобраз-лей частоты. Преобразователь частоты линейно переносит спектр р/сигнала с одной несущей частоты на другую, наз. промежуточной. Форма напряжений на входе и выходе преобразователя частоты и спектр частот при АМ одной частотой имеет вид.

(РИСУНОК 5)

Из рисунка видно, что спектр сигнала и форма его огибающей не изменились. При этом спектр сигнала сместился с высокой частоты fС на более низкую частоту fПР (промежуточную). Преобразование частоты может сопровождаться усилением сигнала. Преобразователь частоты предст-ет собой нелинейные системы или линейные системы с переменными параметрами периодически уменьшающимися во времени. При использовании последней системы преобразование частоты наз-ют параметрическим. Преобразование частоты сводится к перемножению двух сигналов частоты которых отличаются на величину промежуточной частоты. Напряжение последней выделяется резонансной нагрузкой. Т.о. схема преобраз-ля частоты должна содержать: смеситель, гетеродин, резонансную нагрузку. Структурная схема преобразователя частоты имеет вид.

Рисунок 6

К нелинейному элементу СМ подводится напряжение UC с частотой принимаемого сигнала fC и напряжение UГ с частотой гетеродина fГ. Совместные действия этих напряжений на нелинейный элемент создает в его цепях процесс, подобный амплитудной модуляции сигнала напряжением гетеродина. В результате, в составе тока нелинейного элемента так же, как и при модуляции, получается ток разностной частоты fПР=fГ-fС , представляющий собой ток промежуточной частоты. Известно, что ВАХ нелинейного элемента с некоторым приближением м.б. представлена полиномом 2-й степени:

i = a0+a1U+a2U2 (1), где U=UГ+UC=UmГCosГt+UmC(t)CosCt, а напряжение UmC(t) есть функция характеризующая АМ – сигнал. После подстановки значения напряжения U в полином (1) получим:

Учитывая, что 2CosCos=Cos(-)+Cos(+) и Cos2=1/2(1+Cos2) получим:

Т.о. ток нелинейного элемента, кроме постоянной составляющей и составляющих с основными и удвоенными частотами содержит составляющие разностной частоты (Г - С), которые являются током i промежут. частоты:

.

Поскольку Cos – четная ф-ция, то величина и знак косинуса не меняются при изменении знака аргумента, т.е. Cos(-)=Cos(-)в уравнении (2) образование тока промежуточной частоты м.б. и при разности (С-Г). Если принимаемый сигнал является простым АМ сигналом, то

, где m – коэффициент амплитудной модуляции, F – частота модулирующего напряжения. Подставляя (3) в (2) получим:

1-е слагаемое в данной формуле есть ток промежуточной частоты, а 2-е и 3-е – составляющие боковых частот.

Фильтр, включенный в цепь нелинейного элемента настроен на промежуточную частоту и представляет для тока iПР наибольшее сопротивление, а для токов других частот его сопротивление ничтожно мало. Поэтому на выходе фильтра практически имеется только напряжение промежуточной частоты.

По принципу преобразования частоты схемы преобразователей делят на 2 группы. К 1-й группе относятся схемы в которых смеситель выполнен на нелинейных элементах. Процесс преобразования частоты происходит при воздействии суммы напряжений сигнала и гетеродина на нелинейный элемент. Нелинейными элементами является: электронные лампы, биполярные и полевые транзисторы, ПП диоды, параметрические диоды (варикапы). Ко 2-й группе относится многочисленный класс параметрических преобразователей на многосеточных лампах или многофазовых тр-рах и интегральных усилителей. Напряжение сигнала и гетеродина воздействует на разные входы усилительного элемента. Напряжение гетеродина изменяет коэф-т усиления элемента, что делает его элементом с переменным параметром. При использовании в ПЧ электронных ламп или транзисторов, процесс преобразования осуществляется с усилением сигнала. Нелинейность характеристик транзисторов позволяет использовать их для ПЧ в СГП. Транзисторные ПЧ делят на 2 типа: с внутренним и внешним гетеродином. Схема ПЧ с ОЭ и внутренним гетеродином имеет вид.

РИСУНОК 7

Генератор выполнен по схеме с индуктивной ОС, контур гетеродина имеет неполное включение в коллекторную цепь VT1 послед-но с выходным контуром, настроенным на промежуточную частоту. Поскольку fГ>>fПР, то выходной контур не влияет на контур гетеродина. Данный ПЧ имеет худшие параметры, чем преобразователь с внешним гетеродином, поскольку нельзя одновременно обеспечить оптимальные режимы для смесителя и гетеродина, выполненных на одном транзисторе. Специфической особенностью супергетеродинного приема является возможность приема радиостанций, как по основному, так и по побочным каналам. Помехи, проникающие по симметричному каналу наз-ся симметричными или зеркальными с частотой fЗП (зеркальные помехи). При использовании гетеродина с верхней настройкой, частота симметричного канала выше частоты основного на удвоенную промежуточную частоту: fЗП=fC+2fПР.

Рисунок 8

Существование симметричного канала может привести к одновременному приему 2-х радиостанций работающих на различных частотах, т.е. к созданию взаимных помех. Для исключения помехи по симметричному каналу необходимо ее подавить до ПЧ. Эту задачу должен выполнять преселектор. Степень подавления помех по симметричному каналу буде тем выше, чем выше значение промежуточной частоты, т.к. при этом симметричный канал удаляется от основного. Кроме симметричного канала в СГП сущ-ет еще канал приема по промежуточной частоте. Опасность прохождения помехи по промежуточной частоте обусловлена тем, что напряжение помехи будет значительно усилено в самом преобразователе и в каскаде усиления по промежуточной частоте, т.к. имеющиеся в них полосовые фильтры настроены на промежуточную частоту. Подавление данной помехи м.б. произведено только на промежуточной частоте, т.е. в преселекторе. К недостаткам СГП относится также возможность возникновения в них интерференционных свистов в рез-те образования в СМ дополнительных гармонических составляющих комбинированных частот близких к промежуточной частоте.

Детектирование АМ – колебаний

Детектир-е эл. колебаний – одна из важнейших ф-ций любого приемника. Необходимость детектир-я вытекает из основного назначения приемника заключающегося в извлечении полезной информации из сигнала поступившего на его вход. Детектир-ем АМ сигнала называется процесс преобразования его в напряжение воспроизводящее закон изменения амплитуды детектируемого сигнала. Этот закон соответствует исходному модулирующему напряжению отображающее передаваемое сообщение. Модулирующее напряжение обычно является напряжением НЧ или представлением последовательности видеоимпульсов. Если, например, на вход детектора подается простое АМ напряжение, определяемое выражением UВХ=Um(1+mCost)Cos0t, где Um и 0 – амплитуда и частота несущей; m – коэффициент модуляции; - круговая частота модулирующего напряжения, то на выходе его д.б. получено напряжение звуковой частоты UВЫХ=UmCost. Поскольку в составе простого АМ сигнала имеются лишь ВЧ составляющие несущей и 2-х боковых частот, т.е. UВХ=UmCos0t+(mUm/2)Cos(0-)t+(mUm/2)Cos(0+)t, (5) то очевидно, что усилением входного напряжения или фильтрацией его составляющих нельзя добиться желаемого результата. Поэтому в детекторе входной сигнал должен преобразовываться так, чтобы в его частотном спектре появилась НЧ составляющая (Рис.9).

Амплитудное детектирование может осуществляться в нелинейных системах и в системах с периодически изменяющимися параметрами. К основным нелинейным детекторам относятся детекторы на ламповых и п/п диодах, сеточные, анодные или катодные, на триодах и пентодах и детекторы на транзисторах. Примером линейного детектора с переменными параметрами является т.н. синхронный детектор. При исследовании амплитудных детекторов обычно исходят из двух типичных режимов их работы: режима детектирования слабых сигналов и режима детектирования сильных сигналов. Работа в режиме детектирование слабых сигналов соответствует криволинейному участку детекторной характеристики. Этот режим находит применение в простейших детекторных приемниках и в ряде других случаев, когда нецелесообразно или затруднительно довести амплитуду ВЧ напряжения до значений соответствующих режиму сильных сигналов, что соответствует линейному уч-ку детекторной характеристики. Этот режим работы, называемый режимом линейного детектирования является основным и широко используется в современных приемниках. Он обеспечивается при амплитудах ВЧ напряжений от 1.5 до 3В в детекторе на электровакуумном диоде и U0.2…0.3В в детекторе на германиевом транзисторе. Основными качественными показателями детекторов являются следующие.

1. Коэффициент передачи (Kg) – отношение амплитуды напряжения ЗЧ на вых. Детектора к амплитуде огибающей модулированного напряжения на его вых. Kg=Um/(mUm). В схемах детектора с усилителем, этот коэффициент наз-ют коэф-том усиления детектора.

2. Входное сопротивление детектора (RВХ) – сопротивление между точками подключения его к контуру предыдущего каскада. Оно равно отношению амплитуды синусоидального ВЧ напряжения на вх. детектора к амплитуде 1-й гармоники вх-го тока. RВХ=Um/Im1. Вх. сопротивление детектора определяет степень шунтирующего действия детектора на контур, с кот-го снимается ВЧ напряжение. Желательно, чтобы RВХ было как можно больше.

Для уяснения принципа действия детектора рассмотрим качественную картину явлений происходящих в АМ детекторе на ПП диоде. (рис. 10)

Особенностью ПП диода, отличающей его от лампового диода, является наличие обратного тока. Это свойство отражено в его реальной ВА характеристике. (Рис. 11)

Для режима сильных сигналов сложную форму этой характеристики с некот-ми допущениями можно представить в виде ломаной линии (Рис 12) кот-я является идеализированной характеристикойПП – диода.

При воздействии на вход ВЧ напряжения (АМ), через диод протекает переменный ток ig той же частоты, но кривая тока оказ-ся несимметричной относительно оси времени. Анализ такого тока показывает, что в нем имеется переменная составляющая звуковой частоты i воспроизводящая закон изменения амплитуды вх. сигнала. Эта составляющая протекая по нагрузке детектора RН (рис. 10), создает на ней переменное напряжение ЗЧ, которое через конденсатор CP передается на УНЧ. Емкость конденсатора СН выбирается такой, чтобы сопротивление резистора RН было значительно больше емкостного сопр-я конденсатора для ВЧ гармонических составляющих тока ig , и значительно меньше для НЧ гармонических составляющих этого же тока. 1/(2fCН)<<RН<<1/(2FCН) (7). Это условие легко реализуется и средний ток детектора ig=iСР=I0+i, проходящий через резистор RН, создавая на нем падение напряжения UR=igRН=I0RН+iRН=U0+U. Т.о. на резисторе RН создается падение напряжения не только от i, но и от постоянной составляющей I0 тока диода. Из-за наличия конденсатора СР на выходе детектора будет действовать напряжение ЗЧ. К диоду в этом случае будет приложено напряжение U (рис. 13) которое является результатом сложения ВЧ входного напряжения UВХ и пульсирующего отрицательного напряжения UR. Среди детекторов на ПП диодах широко используют детектор на обычном кристаллическом диоде. В последнее время применяют детекторы на транзисторах, а с появлением новых типов диодов – на туннельных и обращенных диодах. Использование детекторов на туннельных диодах наиболее целесообразно в диапазоне ДМ и СМ волн, вплоть до миллиметровых волн.

Основные регулировки радиоприемников

Назначение регулировок в процессе эксплуатации радиоприемных устройств состоит в обеспечении наилучших условий приема ожидаемых радиосигналов. Регулировки позволяют провести первоначальную настройку приемника, т.е. установить такие параметры его радиотехнических цепей, при которых осуществляется прием этих сигналов. Все виды регулировок применяемые в современных приемниках можно разделить на 2 типа: ручные и автоматические. В одном и том же приемнике могут применяться как ручные, так и автоматические регулировки, своими свойствами взаимно дополняя друг друга. Наиболее часто в современных радиоприемниках применяются регулировки громкости, усиления и полосы пропускания. Под регулировкой громкости понимается воздействие на НЧ часть приемника с целью установки и поддержания определенного уровня напряжения и мощности сигнала подводимого к звуковоспроизводящему устройству независимо от уровня сигнала на входе приемника. В транзисторных радиоприемниках особенности схем регулировки громкости определяются тем, что входное сопротивление усилительных каскадов на транзисторах во много раз меньше входного сопротивления усилительных каскадов на электронных лампах. Это приводит к тому, что для изменения уровня сигнала на выходе транзисторного каскада необходимо изменить величину тока на входе каскада.

На рис.14 показана реостатная схема регулировки громкости путем изменения тока базы транзистора VT2 изменением величины напряжения снимаемого с движка потенциометра R4. Изменение уровня сигнала на выходе приемника может осуществляться не только путем регулир-я в каскадах НЧ, но и путем изменения усиления сигнала в каскадах высокой и промежуточной частот.

Использование в приемнике кроме схемы регулировки громкости схемы регулировки усиления, делает изменение уровня сигнала более гибким. Кроме того, необходимость регулировки усиления вызванной тем, что ручная регулировка громкости не может устранить нелинейные искажения возникающие в результате перегрузки каскадов приемника предшествующих детектору при больших амплитудах сигнала на входе приемника. Поскольку усиление каскадов высокой и промежуточной частот зависит от крутизны характеристики эл. лампы или коэффициента передачи по току транзистора, а также эквивалентного сопротивления колебательного контура RЭ, то регулировку усиления можно осуществлять изменением крутизны или RЭ. Схемы регулировки усиления м.б. ручными и автоматическими. Ручная регулировка усиления не обеспечивает постоянства напряжения на выходе приемника при быстрых изменениях напряженности эл. поля в точке приема. Такие изменения напряженности поля могут иметь место при замираниях сигнала, при резких изменениях напряжения на передающую радиостанцию, расстояния м/к приемником и передатчиком и т.п. Для получения постоянства напряжения на выходе приемника в этих случаях широко применяется система автоматической регулировки усиления (АРУ). Принцип АРУ заключается в автоматическом изменении усиления в зависимости от уровня принимаемого сигнала. Регулировка усиления достигается изменением смещения на сетках ламп или тока эмиттерного перехода транзистора в каскадах усиления высокой и промежуточной частоты. Структурная схема СГП с системой АРУ имеет следующий вид.

Рисунок 15

Система АРУ состоит из детектора АРУ с ФНЧ. Детектор АРУ вырабатывает постоянное напряжение величина которого пропорциональна уровню принимаемого сигнала. Это напряжение используется в качестве регулирующего напряжения системы АРУ. Обычно оно воздействует на каскады предшествующие детектору (Д). Подобные схемы называют регулировками назад, в отличие от регулировок вперед, когда напряжение смещения подается на каскады УНЧ. Характерным для такой схемы является наличие напряжения в цепи регулирования при сколь угодно малом сигнале. Очевидно, лучшей будет схема в которой дополнительное смещение появляется только тогда, когда уровень сигнала на входе превышает некоторый пороговый уровень, например, соответствующий реальной чувствительности приемника. Такая система АРУ называется задержанной. Она требует специального детектора называемого детектором АРУ который запирается напряжением равным нормальной амплитуде сигнала на основном детекторе. Как только амплитуда сигнала превысит нормальный уровень, детектор АРУ открывается и в цепи регулирования появляется напряжение. Амплитудные характеристики приемника при отсутствии АРУ, простой и задержанной АРУ имеют вид.

Для обеспечения хорошего качества воспроизведения сигнала приемник должен обладать определенной полосой пропускания. Наивыгоднейшая полоса пропускания приемника зависит как от вида принимаемых сигналов напряженности эл. поля в точке приема, так и от уровня помех. При приеме сигналов в условиях высокого уровня помех улучшение качества связи м.б. достигнуто при уменьшении полосы пропускания приемника. Существуют схемы со ступенчатой и плавной регулировкой полосы пропускания. Ступенчатая регулировка обычно применяется при изменении вида принимаемого сигнала (телеграфные или телефонные). Плавная используется при различном соотношении напряжений сигнала и помехи. Регулировка полосы пропускания может производиться изменением связи между контурами полосовых фильтров УПЧ или шунтированием контуров активными сопротивлениями.

Особенности радиоприемников предназначенных для приема радиотелеграфных и ЧМ сигналов.

ЧМн получила широкое применение в системах буквопечатающей связи, а также в слуховых радиотелеграфных каналах. При ЧМн исп-ся метод активной паузы, сущность которого состоит в том, что излучение энергии передатчиком происходит непрерывно, однако, при плюсовой (токовой) посылки излучение происходит на одной частоте, а при передаче минусовой (безтоковой) посылки – на другой, которая отличается от первой на несколько сот герц.

РИСУНОК 17

Структурная схема приемника ЧМн сигналов отличается от структурной схемы АМн приемников тем, что вместо амплитудного детектора в нем используется устройство состоящее из амплитудного ограничителя и частотного детектора. Кроме того, вместо УНЧ приемник содержит выходное устройство для управления работой телеграфного аппарата. Амплитудный ограничитель значительно улучшает работу линии радиосвязи при наличии замираний. Применение ограничителя позволяет получить равенство амплитуд телеграфных импульсов различной полярности на выходе приемника. Частотный детектор в данном случае служит для преобразования ЧМн сигналов в телеграфные импульсы соответствующей полярности. Схема частотного детектора приемника ЧМн сигналов имеет вид.

Схема содержит 2 полосовых фильтра Ф1 и Ф2, средние частоты которых равны соответственно преобразованным частотам плюсовой и минусовой посылок. Напряжение выделенное фильтром Ф1 выпрямляется диодом VD1 и на нагрузке детектора R1 выделяется напряжение положительной полярности, соответствующее плюсовой посылке. Напряжение выделенное фильтром Ф2 выпрямляется диодом VD2, при этом на нагрузке детектора R2 выделяется напряжение отрицательной полярности, соответствующее минусовой посылке. Результирующее выходное напряжение частотного детектора UВЫХ поступает на выходное устройство для придания телеграфным импульсам необходимой формы и передачи этих импульсов в линию к телеграфному аппарату.

Для приема ЧМ сигналов служат специальные приемники, которые строятся как правило, по супергетеродинной схеме. Так же как и в приемнике ЧМн сигналов, вместо амплитудного детектора здесь исп-ся ус-во состоящее из амплитудного ограничителя и частотного детектора. Благодаря амплитудному ограничителю, на вход частотного детектора подается напряжение с постоянной амплитудой и частотой, изменяющееся по закону модуляции. Частотный детектор предназначен для преобразования модулированного по частоте ВЧ напряжения в напряжение НЧ, воспроизводящее закон модуляции.

Широкое применение ЧМ в радиосвязи, радиовещании, телевидении обусловлено высокой помехоустойчивостью приемника ЧМ колебаний. Наиболее полно преимущества частотной модуляции реализуются при широкополосной ЧМ (ШПЧМ). Однако, использование ШПЧМ сопряжено с значительным расширением полосы частот телефонного канала. Поэтому ЧМ применяется в диапазоне УКВ, в котором для телефонных каналов м.б. выделены достаточно широкие полосы частот. Структурная схема СГП ЧМ сигналов имеет вид.

Больш-во применяемых ЧД предс-ют собой устройство, в кот. ЧМ напряжение предварительно преобраз-ся в АЧМ напряжение, т.е. напряжение, у кот. одновременно и амплитуда, и частота изм-ся по закону модуляции, а затем детектируется обычным АД. Принцип действия ЧД рассмотрен на схеме балансного ЧД с 2-мя расстроенными контурами (рис.20)

ЧД содержит 2 колеб. контура L1C1 и L2C2, индуктивно связанных с контуром L0C0 предварит. каскада и 2 АД, включенных по балансной схеме. Контур L0C0 настроен на несущую частоту f0 ЧМ колебания, а контуры L1C1 и L2C2 расстроены относительно этой частоты на нек. величину Δf так, что их резонансные частоты соотв-но равны f1=f0+Δf и f2=f0-Δf. Резонансные кривые этих контуров имеют вид:

Когда частота подводимого к детектору напряж-я равна f0, на контурах создаются равные по величине напряж-я. Через оба диода VD1 и VD2 протекают одинаковые токи, пост. составляющие кот. создают на нагрузочных рез-рах R1 и R2 равные напряж-я. Напряжение на выходе ЧД Uвых при этом равно 0. Когда частота подводимого к детектору напряж-я становится больше f0, напряжение на выходе ЧД оказ-ся отрицательным. Аналогично, когда частота на входе <f0, результирующее оказ-ся положительным. ЧХ детектора приведена на рис.21б. При соотв. выборе пар-ров контуров L1C1 и L2C2 кривизна резонансной характеристики контура L1C1 компенсируется кривизной резонансной характеристики L2C2 и характеристикадетектора в целом получается практически линейной в полосе от f’’ до f’.

Телевизионные системы связи.

Общие сведения.

Для создания доставки и распределения телевизионных программ в мире действует мощное и постоянно развивающаяся сеть телецентров, р/передающих станций, кабельных (коаксиальных и волоконно-оптических), р/релейных и спутниковых систем передачи. На ряду с черно-белым и цветным ТВ-ем в существующих стандартах реальностью стало ТВ-е повышенного кач-ва и высокой четкости. Созданы ТВ-ры с безвакуумным плоским экраном, выпускаются проекционные ТВ-ры. ТВ-ПРМ становится многофункциональным устройством приема и отображения как телевизионной инф-ии, так и дополнительной буквенно-цифровой и графической инф-ии, выводимой на ТВ-экран с помощью систем типа телетекст и видеотекст, дисплеем ПЭВМ. Из всех существующих р/электронных средств, используемых в быту, ТВ-техника является наиболее сложной. Объясняется это тем, что полоса частот, занимаемая ТВ-сигналом (по отечественному стандарту 6 Мгц) в сотни раз шире полосы телефонного сигнала и сигнала р/вещания. В ТВ высокой четкости полоса сигналов расширяется еще в несколько раз (до 30 МГц и более). Это обуславливает освоение все более ВЧ-диапазонов волн в спутниковом ТВ и широкое использование волоконно-оптических систем для одновременной передачи нескольких десятков ТВ-программ на значительные расстояния без промежуточных усилителей.

Классификация систем передачи изображения (СПИ).

Основным назначением СПИ является формирование изображений передаваемых объектов на значительном расстоянии от них. Для передачи изображений на расстояния эл. средствами необходимо осуществить 3 физ. процесса: преобразование изображения объекта в эл. сигнал (анализ изображения), передачу эл. сигнала по каналу связи и прием его, преобразование принятого эл. сигнала в видимое изображение (синтез изображения). Указанные процессы производятся с помощью ТВ и факсимильной связи. ТВ (от греч. «tele» - далеко) - это научно-техн. направление в р/электронике, объединяющая вопросы эл. передачи, обработки и воспроизведения движущихся и неподвижных оптич. изображений. Комплекс техн. средств, обеспечивающих передачу изображений ТВ-способом, составляет телевизионную систему передачи (ТСП). ТВ развивается по 2 направлениям: первое представляет вещательное ТВ, т.е. передача и получение на расстоянии изображений объектов эл. средствами со звуковым сопровождением для массовой аудитории зрителей. Второе получило название прикладного ТВ, под которым понимается использование ТВ методов и средств в промышленности, медицине, научных исследованиях, военном деле и т.д. Системы прикладного ТВ по назначению и принципу построения делятся на: инф-ые и измерительные. Большинство информационных систем применяется для визуального обзора пространства, поиска и обнаружения объекта. К ним относятся промышленные, диспетчерские, подземные, подводные и другие аналогичные установки. Эта аппаратура позволяет наблюдать за разл. технологическими процессами, демонстрировать операции, производить подводную, геологическую и др. разведки, астроориентацию, навигацию, поиск, наведение и самонаведение на искомый объект. Визуальные инф-ые системы часто строятся по тем же принципам, что и системы вещательного ТВ. Измерительные системы прикладного ТВ нужны для автоматического управления разл. процессами, распознавания объектов, автомат. ориентации и наведения. Телевизионный метод является единственным, позволяющим передавать и воспроизводить изображения движущихся объектов. Факсимильная связь (от лат. «facsimile») - обеспечивает передачу только неподвижных изображений, записанных на каком-либо носителе и прием их также с записью на носитель. В кач-ве носителей могут использоваться фотопленки, простая бумага, фотографическая бумага и термохимическая бумага и т.д. Техн. средства, обеспечивающие факсимильную связь, называется факсимильными системами передачи. Факсимильная связь относится к документальной электронной связи. Сущ-ют 2 класса факсимильной связи, в которых для записи на приемной стороне используются фотографические методы и которые позволяют передавать полутоновые иллюстрации: фототелеграфная связь и передача изображений газетных полос по каналам электросвязи для децентрализованной их печати в пунктах приема. В первых системах запись ведется на фотобумагу, во вторых на фотопленку. ТВ и факсимильная связь является СПИ.

Общая структурная схема СПИ.

СПИ в общем случае имеет следующую структуру:

РИСУНОК 1

В общем случае структура содержит типовые блоки: преобразователь сообщения (в данном случае распределение света) в эл. сигнал (иногда его называют светоэл. или фотоэл. преобразователь), канал связи, преобразователь сигнала в свет (для ТВ-системы) или устройство записи для факсимильной связи. В состав СПИ обязательно должен входить еще один основной блок. Оптич. система, которая собирает и фокусирует лучи от каждой точки объекта. Максимальное соответствие изображения объекту достигается когда каждая его точка изображается точкой. В общем случае объекты в ТВ трехмерные, а в ФС двухмерные. Совокупность точек, оптич. изображение которых можно получить с помощью оптич. системы (ОС), образует пространство или плоскость объектов 1, а совокупность точечных изображений этих точек - пространство изображений 2. Т.к. в ТВ обычно расстояние до объекта во много раз больше фокусного расстояния ОС, то вх. изображение 2 оказывается практически плоским и располагается в задней фокальной плоскости ОС. На приемной стороне ТВ-системы на экране преобразователя сигнал-свет (напр., кинескопа) образуется вых. изображение 3, которое рассматривается зрителем. В кач-ве преобразователя свет-сигнал в ТВ используется передающая ТВ-трубка (видикон или артикон), которая вместе с ОС входит в состав ТВ-камеры. Передающие ЭЛТ, используемые в вещательном ТВ должны быть чувствительными к видимому свету эл/м волн. Особенностью систем прикладного ТВ является возможность делать видимыми те объекты, которые сами испускают или облучаются невидимыми лучами с длинами волн от 0,1 до 1 нм (рентгеновские, ультрафиолетовые, инфракрасные лучи, микроволновые радиоволны) и для которых хар-но основанное на волновых свойствах излучений формирование оптич. изображений с помощью ОС. Для этого в зависимости от назначения применяются передающие трубки, чувствительные к соответствующим участкам спектра эл/м волн. Для наблюдения же изображений на приемной стороне как в вещательном , так и в прикладном ТВ используются преобразователи сигналов в свет, т.е. видимое излучение. 1-ое октября 1931 официально считается началом ТВ-вещаний в СССР. В то время использовалась система ТВ с механической разверткой, которой свойственны след-щие недостатки: плохая четкость, малые размеры и слабая яркость воспроизводимого изображения, низкая чувствительность преобразователя свет-сигнал. Последний недостаток присущ всем системам мгновенного действия, в которых мгновенное значение фототока освещенности передаваемого в данный момент элемента изображения, а световые потоки от остальных элементов не используются. Создание ТВ-систем с высоким кач-вом изображения стало возможным только с появлением электронных разверток. Преобразователем свет-сигнал в настоящее время служит передающая трубка (ПТ), в которой могут использоваться внешний и внутренний фотоэффект (в вакуумных ПТ) и приборы с зарядовой связью (в безвакуумных ПТ). Принцип работы ПТ с внешним фотоэффектом состоит в след-щем:

Оптич. изображение создается объективом на расположенной в вакууме светочувствительной поверхности в фотокатоде ПТ, который можно представить состоящим из совокупности элементарных фотоэлементов и конденсаторов (по числу элементов Nk в кадре). В зависимости от величины светового потока, падающего на каждый фотоэлемент, в них образуются соответствующие фототоки, которые заряжают «свой» конденсатор до величины, току. При этом распределение зарядов и соответственно напряжение на конденсаторах создает потенциальный рельеф - электронное изображение. Преобразование последнего осуществляется электронным лучом, который под действием поля, f.e. магнитного, отклоняющим катушки ОК, перемещается по фотокатоду и считывает накопленные на нем заряды. Протекающий при этом по нагрузке Rн ток образует сигнал изображения Uиз. Накопление зарядов происходит в течение периода считывания, называемого кадром, а считывание за время считывания Э одного элемента. Поэтому ток сигнала в такой системе на много больше чем в системах мгновенного действия с мех. разверткой. На приемной стороне для воспроизведения ТВ-изображений в основном применяется ЭЛТ-кинескоп, экран которого покрыт люминофором. Принятый сигнал изображения подается на катод или модулятор кинескопа и изменяет плотность электронного потока. Одновременно с этим луч отклоняется по экрану магн. полем отклоняющих катушек, через которые протекает ток пилообразной формы строчной и кадровой частоты. В рез-те возбуждения электронным лучом люминофора каждый его участок, диаметру луча, светится с яркостью, величине тока, и на экране кинескопа создается двухмерное изображение. Построение растра производится след-щим образом: отклонение луча в ПРД-щих и ПРМ-ых ТВ-трубках производится одновременно по осям x и y (рис.3) и обеспечивается пилообразными сигналами строчной (рис.4, а) и кадровой (рис.4, б) разверток.

(РИСУНКИ 3абв)

 

При электростатическом отклонении пилообразную форму должно иметь напряжение, а при эл/м - ток. За время прямого хода развертки по строке tП.Х.С. луч отклоняется слева направо, а за счет действия отклоняющего поля по вертикали смещается вниз на шаг развертки , обычно равную диаметру луча d. Луч движется практически по горизонтали, т.к. число строк z в отечественном стандарте =625. Во время обратного хода tО.Х.С. луч быстро отклоняется к началу след-щей строки. В течение этого времени на ПТ и кинескоп подаются строчные гасящие импульсы, поэтому ПТ не передает изображение в течение tО.Х.С., а на экране кинескопа не видны линии обратного хода луча. Обратный ход практически горизонтален, т.к. tО.Х.С. на много меньше tП.Х.С. и ток iк за tО.Х.С. не изменяется. Когда луч пройдет все z строк и будет передано изображение одного кадра он должен быстро возвратится в исходное положение для передачи изображения следующего кадра. Во время обратного хода по кадру tО.Х.К. оба вида трубок закрываются путем подачи кадровых гасящих импульсов. В примере на рис.3, а это время примерно равно 0, а в примере на рис.3, б и в - двум периодам строк Тс. Строчные и кадровые гасящие импульсы для ПРМ-ых трубок передаются в составе ТВ-сигнала в его свободных интервалах, соответствующих времени обратных ходов в ПТ. Указанные интервалы времени используются и для подачи строчных и кадровых синхро-импульсов, необходимых для синхронизации строчной и кадровой разверток в телевизорах.

Обобщенная структурная схема передачи ТВ-сигнала и его состав

Благодаря изобретению электронной развертки стало возможным преобразование многомерного изображения в одномерный эл. сигнал и обратно на ПРД-щей и ПРМ-ой сторонах с помощью анализирующего и синтезирующего устр-в соответственно.

Развертки на обеих сторонах должны работать синхронно (рав-во частот развертки) и синфазно (один. нач. полож-е развертывающих элементов). В ТВ устройства развертки строятся на основе автоколеб. генераторов пилообразного напряж-я или тока. Синхронная и синфазная работа разверток обеспечивается принудительно путем подачи сигнала синхронизации (СС), состоящего из строчных (ССИ) и кадровых (КСИ) синхроимпульсов. Для синхр-ции приемной стороны необходимо вместе с сигналом изображ-я по одному каналу связи передавать ССИ и КСИ, а для гашения развертывающего луча кинескопа еще и сигнал гашения, состоящий из строчных (СГИ) и кадровых (КГИ) гасящих импульсов. Сумма сигналов изображ-я Uиз(t), синхронизации Ucc(t) и гашения Uсг(t) образует полный ТВ-сигнал или видеосигнал UΣ(t), соотв. передаче ч/б изображ-я: UΣ(t)= Uиз(t)+Ucc(t)+Uсг(t), Ucc(t)=Uсси(t)+Uкси(t), Ucг(t)=Uсги(t)+Uкги(t). Полный видеосигнал в ч/б ТВ, полный цветовой видеосигнал или сигналы осн. цветов в цветном ТВ выраб-ся в ТВ датчике. К датчикам относ-ся: 1) ТВ-камера, ч/б или цветная, телекинодатчик или теледиадатчик (осуществлениет ТВ анализ соотв-но передаваемой сцены, кинофильма и диапозитивов при пом. оптоэл-ного преобраз-ля); 2) видеокамера (конструктивно объединенных ТВ-камеры и видеомагнитофона); 3) ТВ-знакогенератор (вырабатывает ТВ-видеосигналы буквенно-цифровых и графич. символов эл-ными средствами). В цв. ТВ от ТВ-датчика получают 3 сигнала осн. цветов, UR, UG и UB, несущих инф-цию о яркости красного, зеленого и синего цветов. Из них форм-ют полный сигнал яркости Uся(t), практически не отличающийся от UΣ(t) и сигнал цветности Uсц(t), несущий инф-цию о цветовом тоне и насыщенности. Вместе с сигналом цветовой синхр-ции Uсцс(t), они образуют полный цветовой видеосигнал Uцтв(t)=Uся(t)+Uсцс(t). Сформированный в опред. полосе частот (от 0 до 6 МГц) для принятого в СНГ стандарта D/K сигнал UΣ(t) или Uцтв(t) подается на передатчик или линию связи. В пер-ке производитсямодуляция несущей частоты. Дальнейшая передача осуществляется либо по р/каналу, в том числе по р/релейным и спутниковым линиям связи, либо по любой искусств. направляющей среде, т.е. кабелю, волноводу, световоду. В состав линии связи в зав-ти от ее назнач-я могут входить промеж. усилители, ретрансляторы и регенераторы, вид и кол-во кот. опр-ся типом используемой системы передачи и видом среды распр-я. Тракты вещательного ТВ, т.е. совокуп-ть каналов изображ-я и звукового сопровожд-я сущ-ет в разл. вариантах и делится на 2 группы: тракты для междугородней и международной передачи и тракты для орг-ции ТВ-вещания в пределах насел. пункта.

Тракт вещательного ТВ

Наиболее распространенным в СНГ вариантом построения тракта вещательного ТВ, в котором формируемый в аппаратно-студийном комплексе (АСК) телецентра сигнал передается по р/каналу непосредственно на ТВ-ПРМ.

Источником сигнала в студии является ТВ-камера, которая в черно-белом ТВ имеет оптич. систему, одну ПРД-щую трубку (ПТ), блок развертки (БЛ), электронный видеоискатель (малогабаритное видеоконтрольное устройство, т.е. видеомонитор ВМ) и предварительный видеоусилитель (ПУ). ВМ служит для контроля передаваемого изображения. Каждая телекамера соединяется с аппаратной многожильным коаксиальным камерным кабелем, по внутренним проводникам которого в обоих направлениях передаются все необходимые сигналы и напряжения питания для блоков камеры. Применяется также легкий коаксиальный кабель с малым числом жил или одножильный, по которому сигналы передаются путем частичного или полного уплотнения. Для этих же целей используется и световодный кабель в особенности для соединения с аппаратной видеокамер. Синхронная и синфазная работа БР на ПРД-щей (рис. 6,а) и ПРМ-ой (рис. 6,б) сторонах обеспечивается принудительной их синхронизацией строчными ССИ и кадровыми КСИ синхроимпульсами, которые вырабатываются ТВ-синхрогенератором ТВСГ. Синхроимпульсы СИ и гасящие ГИ от СГ подаются на все камеры по камерному кабелю. Часто ГИ формируется непосредственно в камере из СИ. В ПУ производится противошумовая коррекция, заключающаяся в подборе такой формы частотных хар-к отдельных каскадов усилителя, при которых максимизируется отношение сигнал-шум. Здесь же сигнал изображения усиливается с 10-20мВ до примерно 300мВ и поступает в блок камерного канала, содержащий промежуточный усилитель Пр.У, апертурный корректор АК и гамма-корректор ГК, а также видеомикшер ВМ. В Пр.У к сигналу изображения добавляются ГИ для кинескопов. Из-за конечных размеров апертуры развертывающего элемента (диаметр электронного луча ПРД-щей трубки) возникают апертурные искажения, увеличивающие длительность фронтов и снижающие амплитуду мелких деталей в видеосигнале, что ведет к размытию резких границ и потери четкости изображения. Апертурная коррекция частично компенсирует эти искажения. ГК имеет нелинейность обратную нелинейности кинескопа, хар-ся степенной зависимостью с показателем степени и тем самым компенсирует нелинейные искажения ТВ-сигнала. Далее сигнал подается на микшерно-коммутационное устройство МКУ, расположенное на пульте видеорежиссера, где производится плавное или дискретное микширование, т.е. смешивание его с сигналами от других источников, введение титров и спецэффектов.

На него подаются сигналы от других камерных каналов аппаратной видеозаписи (АВЗ), телекиноаппаратной (ТКА), приемной и аппаратной, передвижной телестанции и телевизионного трансляционного пункта (ПА, ПТС, ТТП), а также сигналы внешних программ из других городов. ТТП оборудуются в театрах, концертных залах, на стадионах и т.п. ПТС и ТТП по существу представляют собой небольшие телецентры, соединенные линией связи, чаще всего р/релейной, с ПА этих пунктов. В линейном усилителе (ЛУ) вводятся синхроимпульсы для синхронизации блока развертки в телевизорах. На этом заканчивается формирование полного ТВ-сигнала U(t). Сигнал звукового сопровождения в звуковом канале обрабатывается, усиливается и поступает на звуковой коммутатор (ЗК), в котором при необходимости производится коммутация или микширование сигналов от разл. источников. Сформированные в аппаратно-студийном комплексе (АСК) звуковой и ТВ-сигналы по соединительным линиям подаются на р/ТВ/ПРД-щий центр (РТПЦ). Для передачи звуковых и ТВ-сигналов используются АМ и ЧМ соответственно. Телевизор (рис. 6,б) строится по супергетеродинной схеме, т.е. с преобразованием в р/канале (РК) принимаемых несущих р/частот изображения и звука (изменяющихся от канала к каналу) в постоянные промежуточные частоты, на которых производится основное усиление полезных и подавление сигналов соседних станций. При этом несущая звука претерпевает двойное преобразование частоты до получения fПР.ЗВ.2. Модулированный сигнал на промежуточной частоте изображения fПР.И детектируется видеодетектором (ВД),с выхода которого полный ТВ-сигнал U(t), усиленный видеоус-лем (ВУ), подается на катод кинескопа (рис. 6,в). Сигнал звукового сопровождения, образующийся на выходе частотного детектора (ЧД) усиливается в УЗЧ и подается на громкоговоритель. В амплитудном селекторе (АС) из сигнала U(t) выделяются СИ и затем разделяются на строчные ССИ и кадровые КСИ, которые и синхронизируют блок строчной и кадровой развертки (БР). Отклоняющая система (ОС), состоящая из 2 пар взаимно перпендикулярных катушек, питается токами пилообразной формы, следующими с частотами строк и полей. Высокое напряжение (примерно 15кВ для черно-белых и 25-35кВ для цветных кинескопов) для питания анода кинескопа Uа2 вырабатывается высоковольтным умножителем, входящим в состав БР. Микширование сигналов разных датчиков возможно при условии, что они работают синхронно и синфазно. Для этого все синхрогенераторы на телецентре работают в ведомом режиме от одного - центрального, при этом СИ, подаваемые от ТВ-синхрогенератора на телекамеры в студии, формируются с опережением на величину, равную двойному времени пробега сигнала в камерном кабеле. Для этой же цели применяется кадровый синхрогенератор, осуществляющий синхронизацию и фазирование не синхронного полного видеосигнала или полного цветного видеосигнала, поступившего от внешнего источника путем записи его в запоминающее устройство и последующего считывания синхронно с местными сигналами телецентра.

Формирование ТВ-сигнала

Рассмотрим осциллограммы сигналов на выходах отдельных блоков телецентра (рис. 6,а) при передачи изображения в виде тонких черной и серой вертикальных полос на белом фоне (рис. 7,а).

РИСУНОК 7

Отклонение электронного луча по фотокатоду в ПРД-щей трубке (рис. 7,б) и по экрану кинескопа в телевизоре (рис. 7,в) производится одновременно по двум осям т обеспечивается пилообразными импульсами в строчной (рис. 7,ж) и кадровой (рис. 7,и) разверток. Если при передачи белого (черного) изображение образуется максимальный (минимальный) сигнал (рис. 7,г) его полярность считается положительной. Во время обратного хода (ОХ) электронного луча в ПРД-щей трубке (ПТ) сигнал изображения не образуется, т.к. трубка закрыта гасящими импульсами (участки АБ на рис. 7,г), а не значительные изменения напряжения в это время обусловлены шумами трубки - флуктуациями темнового тока. Образующийся на выходе ПТ сигнал изображения с уровнем 10-20мВ хар-ся тем, что он однополярен, т.е. содержит постоянную UПС или среднюю составляющую, а инф-ия об изменении яркости объекта содержится в форме сигнала. Для неискаженной передачи формы сигнала нужно обеспечить не только равномерную АЧХ, как при передачи звуковых сигналов, но линейность ФЧХ.

Для передачи инф-ии об изменении средней яркости изображения, заключенной в сигнале UПС, нужно видеотракт АСК строить на УПТ, имеющих полосу частот от 0 до 6 МГц. Чтобы избавиться от свойственного УПТ дрейфа нуля видеотракт строят на усилителях переменного тока, а инф-ию о UПС передают косвенным образом в размахе гасящих импульсов. Однако для упрощения все осциллограммы на рис. 7 приведены с постоянной составляющей и в предположении, что диаметр луча, т.е. апертуры ПТ, бесконечно мал. В промежуточном усилителе в сигнале изображения ограничивается шумовая дорожка, к нему добавляются ГИ для кинескопов (СГИ и КГИ на рис. 7,д,з) и сигнал усиливается примерно до 1 В. На рис. 7,з приведена упрощенная форма кадровых гасящих импульсов (КГИ) и кадровых синхроимпульсов (КСИ). ГИ ПРМ-ых трубок превышают по длительности ГИ ПТ, что позволяет перекрыть возможные сдвиги сигналов во времени, например при переключении камер, имеющих кабели разной длины. Разность между уровнями гашения и черного, наз-мая защитным интервалом (ЗИ на рис. 7,д), предохраняет канал синхронизации телевизора от прохождения отдельных импульсов ТВ-сигнала. В интервале строчных и кадровых ГИ вводятся в линейном усилителе строчные (рис. 7,е) и кадровые (рис. 7,з) СИ для синхронизации блока развертки в телевизорах. На этом заканчивается формирование полного ТВ-сигнала U(t), в котором различают активные и пассивные интервалы. В течение активных интервалов передается сигнал изображения, а в течение пассивных ГИ и СИ. При формировании полного ТВ-сигнала исходят из условия максимального упрощения телевизора при одновременном обеспечении устойчивой синхронизации и высокой помехоустойчивости ТВ-приема. Для удовлетворения этого условия во всех системах вещательного ТВ сигналы синхронизации передаются во время ОХ строчной и кадровой разверток, причем так, что сигнал изображения передается выше уровня гашения, а синхронизации ниже при положительной полярности U(t). Это позволяет легко выделить строчные и кадровые СИ из сигнала U(t) в амплитудном селекторе (ограничителе) ТВ-ПРМ, а также передавать полный ТВ-сигнал непосредственно на катод кинескопа без вычеркивания обоих СИ. Действительно при подачи сигнала на катод (рис. 6,в) рабочая точка на анодно-катодной характеристики (зависимость тока луча от напряжения между катодом и модулятором) кинескопа и размах сигнала выбираются так, чтобы уровень гашения в сигнале соответствовал напряжению запирания кинескопа UЗАП. при этом СИ еще больше закроют его. Поэтому говорят, что СИ в полном ТВ-сигнале передаются на уровне чернее черного. К тому же они формируются и разным по длительности, чтобы в телевизоре можно было легко отделить их друг от друга в разделителе СИ, f.e. при помощи дифференцирующей и интегрирующей цепочек. Видимые размеры растра на экране кинескопа (рис. 7,в) ограничиваются передними и задними участками ГИ (при уменьшении размеров и яркости в телевизоре легко заметить, что изображение окаймлено темной рамкой). Правая черная вертикальная полоса 1 (рис. 7,в) соответствует переднему участку строчного ГИ (t1-t2 на рис. 7,ж). Левая полоса 2 - заднему (t3-t4). Нижняя черная полоса 3 - переднему участку кадрового ГИ (t1’-t2’ на рис. 7,и). Верхняя полоса 4 - заднему (t1’-t2’). В течение этих промежутков времени кинескоп закрывается под действием ГИ для того, чтобы на экране не были видны искажения, обусловленные тем, что при переходе от ПХ к ОХ и наоборот скорость луча уменьшается и в блоке развертки возникают нестационарные переходные процессы.

Чересстрочная развертка

Инерция человеческого зрения позволяет в ТВ и кино создать эффект движения, передавая серию отдельных неподвижных кадров К, отличающихся друг от друга фазой движения. Минимальная частота мелькания света, при которой и выше которой источник кажется непрерывно святящимся, называется критической частотой мелькания fКР. Эта частота зависит от углового размера изображения, яркости поля адаптации, закона изменения яркости (скважности импульсов света). Для средней яркости, которое имеет место в кино и в ТВ, fКР не меньше 46Гц и она растет с увеличением угла, отсчитываемой от зрительной оси, т.к. периферическое зрение более чувствительно к мельканиям. При частоте мелькания больше fКР ощущаемая яркость равна усредненной во времени яркости прерывистого света за весь период наблюдения. В кинопроекторах необходимая частота мельканий достигается без увеличения частоты кадров 24 или 16 кадров/с и след-но без увеличения скорости протяжки ленты и кол-ва кинопленки путем воспроизведения одного и того же кадра дважды (или трижды) с помощью прерывания обтюратором светового потока, просвечивающего кинопленку. В ТВ при частоте кадров fК=25 кадров/с эффективным средством для увеличения частоты мельканий является чересстрочная развертка. Установлено, что две близко расположенные святящиеся линии или точки, яркость которых поочередно меняется от нулевой до максимальной, кажутся непрерывно светящимися если сумма частот их яркости мельканий выше критической частота яркостных мельканий отдельной линии (строки) или точки может быть в 2 раза меньше критической. Это св-во зрения положено в основу чересстрочной развертки с кратностью 2:1, при которой каждый кадр изображения передается 2 полукадрами (полями). В начале нечетные строки - первое поле, а затем четные - второе поле. 2 последовательных поля образуют кадр с полной четкостью. Если частоту передачи полей fПОЛ выбрать больше критической частоты мельканий fКР, f.e. fПОЛ=50Гц, то изображение будет казаться слитным без мельканий яркости.

(РИСУНОК 8,а,б)

В ТВ-системе с построчной разверткой и числом строк z=625 (рис. 8,а) при частоте кадров fК=50Гц мелькания яркости отсутствуют, но полоса частот ТВ-сигнала, определяемая высшей частотой спектра, оказывается чрезмерно широкой - 12МГц. Чтобы сократить ее вдвое до 6 МГц необходимо уменьшить частоту кадров до 25Гц, при этом будут наблюдаться мелькания яркости. Для их устранения нужно в 2 раза увеличить частоту развертки по экрану, не изменяя скорости развертки вдоль строк, т.е. перейти к чересстрочной развертке. Тогда электронный луч за время строки отклониться по вертикали на 2h/z и за 1/50 секунды прочертит растр, содержащий только нечетные строки (1,3,5,..., половину 625-ой), которые образуют первое поле или полукадр (рис. 8,б). Далее под действием отклоняющего поля луч совершает ОХ по полю. За след-щие 1/50 секунды луч прочертит четные строки (половину 625-ой,2,4,...,624 второго поля), изображенные на рис. 8,б пунктиром. За счет разности в полстроки растры первого и второго полей оказываются смещенными так, что строки 2-го поля автоматически укладываются между строками первого поля. В рез-те полный кадр передается и воспроизводится соответственно за 1/25 секунды, т.е. число кадров осталось прежним, при котором верхняя частота fВ=6МГц, но мелькания яркости отсутствуют, т.к. fПОЛ> fКР. Т.о. чересстрочная развертка позволяет не расширяя полосы частот устранить мелькания яркости, которые имеются при построчной развертки с fК=25Гц. Чересстрочная развертка применяется во всех системах вещательного ТВ для сокращения полосы частот, занимаемой ТВ-сигналом. В принципе возможно дальнейшее сокращение полосы частот путем применения чересстрочного разложения с кратностью 3:1 или 4:1. В этом случае кадр будет состоять из 3 или 4 отдельных полей, строки которых последовательно воспроизводятся друг под другом. Однако такие развертки не применяются. Становится заметным мелькания строк, т.к. четные или нечетные поля повторяются с низкой частотой 12,5Гц при кратности 4:1. Уменьшается четкость изображения объектов, движущихся в вертикальном направлении с отн-но большой скоростью. Ухудшается воспроизведение вертикальных границ объектов, движущихся с отн-но большой скоростью в горизонтальном направлении. Границы становятся зигзагообразными и наклонными.

Появляется также эффект скольжения строк, которые как бы перемещаются сверху вниз в пределах одного кадра. Объясняется это тем, что когда луч чертит какую-либо строку 4-ого поля, яркость ее максимальна. В то же время яркости расположенных выше строк прочерчены соответственно в 3,2,1-ом полях имеют спадающий хар-р. Создается эффект последовательного свечения и как следствие перемещение строк. Эти недостатки присущи любой чересстрочной развертки, но при кратности 2: 1 они менее заметны. В последние годы увеличились размеры экранов телевизоров за счет совершенствования всех звеньев ТВ-тракта, значительно возросли яркость, контрастность и четкость изображения. В этих условиях сильнее стали проявляться недостатки чересстрочной развертки с кратность 2:1, т.е. мелькание изображения с частотой полей и мелькание отдельных строк четного или нечетного полей с частотой 25Гц. Мелькание с частотой полей стало особенно заметно на новых кинескопах с повышенной яркостью, предназначенных для работы в условиях большой внешней засветки. Это явление усугубляется тем, что зрители часто наблюдают изображение на малом расстоянии от экрана, под большим углом зрения, когда в процессе наблюдения вовлекаются периферийные участки сетчатки, обладающие меньшей инерционностью к световому возбуждению. Мелькание отдельных строк поля хорошо заметны на горизонтальных границах и наклонных структурах изображения особенно при наблюдении буквенно-графической инф-ии с близкого расстояния. Эти искажения приводят к уменьшению реальной четкости изображения по вертикали. Так установлено, что 625-тистрочное изображение с построчной разверткой эквивалентно примерно 900-строчному изображению с чересстрочной разверткой. Имеется несколько методов устранения указанных недостатков, которые сводятся к переходу на ПРМ-ой стороне, т.е. в ТВ-ПРМ повышенного кач-ва, к другому стандарту воспроизведения при сохранении существующего стандарта развертки на ПРД-щей стороне.

Передача дополнительной инф-ии в составе ТВ-сигнала

В настоящее время наметилась тенденция информативности ТВ-сигналов, путем более полного использования пропускной способности ТВ-канала. Во многих странах осуществляется передача дополнительной инф-ии совместно с ТВ-сигналом. При этом чаще всего используется передача цифровых данных методом временного разделения каналов, когда данные передаются в свободных интервалах импульсов гашения ТВ-сигнала. Применение методов временного уплотнения позволяет передавать дополнительную инф-ию без расширения номинальной полосы частот цветового ТВ-сигнала и не исключает возможности уплотнения каналов связи частотными методами, что существенно повышает эффективность его использования. Цифровая передача данных используется для предоставления таких услуг как, телетекст, телеигры, передача субтитров, неподвижных ТВ-изображений, дополнительное звуковое вещание с сопутствующей графической инф-ей, вещание текущего времени и даты в кодированной форме. Передача аналоговых сигналов в составе ТВ-сигнала получило меньшее распространение и используется, в основном, в измерительных целях.

Измерительный сигнал

Ведение измерительных сигналов (ИС) в строки ГИ полей ТВ-сигнала позволяет контролировать основные кач-венные показатели отдельных звеньев и всего ТВ-тракта непосредственно в процессе передачи программы. Для обеспечения международного обмена ТВ-программами международным консультативным комитетом по радио (МККР) разработаны рекомендации по форме и местоположению ИС. При этом учтены перспективы автоматизации контроля, а также стремление использовать вводимые сигналы не только для контроля, но и для решения измерительных задач.

Системы телетекста

Значительная часть дополнительной инф-ии, передаваемой совместно с ТВ-сигналом, носит визуальный хар-р и нужна для отображения в форме страниц текста или графических изображений на экранах соответствующим образом оборудованных ТВ-ПРМ. Такой вид массового инф-ого обслуживания и соответствующая ему служба вещания цифровых данных, из которых реконструируется текст или изображение, получили название вещательной видеографии или телетекста. Служба телетекста позволяет телезрителю получать разнообразную инф-ию, в частности по таким разделам как расписание движения транспорта, репертуар кинотеатров, прогноз погоды, реклама товаров, последние известия в стране и за рубежом, спортивные новости. Большое значение имеет передача «скрытых» субтитров для зрителей с нарушением слуха или субтитров, переведенные на другие языки. Полный перечень инф-ии обширен и определяется техн. возможностями системы и соц. заказами общества. В настоящее время используется 4 системы телетекста, разработанные Францией, Великобританией, Канадой и Японией и обозначенных как системы А, В, С, Д. Логическая структура данных телетекста и соотношение с ТВ-сигналом имеет вид:

(РИСУНОК 9)

А - строчный синхроимпульс; В - цветовая вспышка (сигнал цветовой синхронизации); С - тактовые синхроимпульсы; Е - байтовая синхронизация; F - вставка данных; Д - строка данных - телевизионная строка, активная часть которой предназначена для передачи цифровых данных; I - пакет данных - идентифицируемая упаковка инф-ии, включающая в себя префикс G, предназначенный для обеспечения таких функций как индикация размера, непрерывности пакета и его предназначение; H - блок данных, содержащий сигналы управления или инф-ию для пользователя; К - суффикс - в некоторых системах, который выполняет функцию обнаружения или исправления ошибок на уровне пакета. Группа блоков данных, содержащих инф-ию от одного источника носит название группы данных. С точки зрения потребителя наиболее важными является характеристики, относящиеся к представлению инф-ии на экране, т.е. слою 6 (в соответствие со справочной моделью МККР описание хар-к систем телетекста включает 7 слоев, каждому из которых соответствуют определенные функции, выполняемые системой). Этот слой определяет такие параметры как число рядов знаков, число знаков в ряду, атрибуты отображения знаков и методы кодирования источника инф-ии. Атрибуты определяют условия отображения знаков на экране, в том числе их размер, цвет, фон и т.п.

Телефонные системы и сети связи

Коммутационные приборы эл.-мех. АТС

Наиболее простой коммутационный прибор – эл.-магн. реле. В эл.-мех. АТС они выполняют ряд логических процедур, посл. кот-ых опр. алгоритм установления соединения и формируют цепи срабатывания реле и электромагнитов коммутационных приборов. В эл.-мех. АТС наиболее широкое распространение получили реле с открытыми контактами типа РЭС-14 и ПРН. Эти реле могут иметь от 2 до 6 контактов в группе, а групп – до 4. В коммутационных системах (КС) исп-ся также эл.-мех. искатели, в кот-ых коммутация производится за счет механического скользящего контакта типа щетка – ламель. Эл.-мех. искатель имеет 3 основных части: контактное поле (статор) – совокупность изолированных пластин – ламелей, к кот-ым подключается m l-проводных выходов искателя; подвижная часть (ротор) – щетки, к кот-ым подключается l-проводной вход искателя; движущий механизм (привод), перемещающий ротор с щетками. По характеру привода различают: шаговые, машинные, моторные и др. искатели. Наиболее распространены шаговые искатели, в которых импульс тока, воздействуя на привод, перемещает щетки на 1 шаг. Кинематическая схема шагового искателя имеет вид:

(РИСУНОК 1)

1 – пружина, 2 – якорь электромагнита, 3 – движущаяся собачка, 4 – щетка, 5 – ламель, 6 – храповое колесо, 7 –электромагнит. При паденнии напряжения на обмотку электромагнита 7 якорь 2 притягивается, растягивая пружину 1, давя собачкой 3 на зуб храпового колеса 6. Колесо 6 вместе со щеткой 4 поворачивается на угол, соответствующий переходу щетки с одной ламели на другую по часовой стрелки. При снятии напряжения с обмотки пружина 1 возвращает якорь 2 в исходное положение. Собачка 3 на один зуб колеса 6 против часовой стрелки. Декадоно-шагоавый искатель хар-ся декадным (десятичным) построением поля и шаговым вращательным движением щеток. Контактное поле искателя состоит из трех секций, каждая из которых содержит десять рядов контактынх ламелей. В каждом ряду декады установлены десять ламелей, установленных по дуге.

МНОГОКРАТНЫЙ КООРДИНАТНЫЙ СОЕДИНИТЕЛЬ (МКС).

Идея предложена Рейндольсом в 1914. Первая АТС с коммутационным полем появилась в конце 30-х. В МКС используются контакты релейного типа. МКС управляется электромагнитами по систмеме прямоугольных координат. Основным конструктивным элементом является вертикальный блок (вертикаль). Кол-во вертикалей определяется числом его входов n. Контактное поле каждой вертикали содержит l неподвижных контактных струн, в которые включается l-проводный вход соединителя и m групп плоских контактных пружин по l пружин в группе – это выходы l-проводный выход. МКС отечественного производства содержит 10 или 20 вертикалей. Вход любой вертикали с любым ее выходом соединяется в 2 этапа. В начале выбирается горизонатальный ряд контактных пружин, в который коммутируемый выход, а затем вертикаль, в которой включен коммутируемый вход. Общее кол-во соединений поочередно установленных в одном МКС не превышает кол-во вертикалей. Для обозначения коммутационных хар-к МКС используется условная запись: n*m*l, где n – кол-во вертикалей, m - емкость поля вертикали, т.е. число выходов и l – проводность коммутируемых входов и выходов. Среднее время соединения в МКС составляет около 50мс.

КОММУТАЦИОННЫЕ ПРИБОРЫ КВАЗИЭЛЕКТРОННЫХ АТС.

В КЭАТС коммутационное поле построено на быстродействующих эл/м приборах (герконы, фериды, малогабаритные реле, кодовые соединители, мини-МКС), управляющее устройство на электронных элементах и приборах. Наибольшее распространение получило АТС, коммутационное поле которых построено на феридах. Гермитизированный контакт (геркон) – две плоские пружины, изготовленных из пермалоя (железно-никеливый сплав с высокой магн. проницаемос тью ималой остаточной намагничиваемостью ), их внутренние концы как правило покрыты золотом. Пружины помещаются в стекляный баллон с инертным газом диаметр 3-5мм, длина 30-50мм.

Рисунок 2.

Пропуск.

Для эффективного использования приборов линейного искания количество выходов коммутатора ступени предварительного искания значительно меньше кол-ва входов. Входами коммутатора ступени ПИ являются щетки шаговых искателей, а количество искателей равно количеству абонентских линий. Отыскивая свободный вход линейного искания счетчики искателей ПИ совершают свободные движения не определяемые абонентом, поэтому процесс искания линии на ступени ПИ является свободным исканием. Емкость АТС со ступенями предварительного и линейного искания составляет 100 линий. Наиболее рациональным путем увеличения емкости АТС является группа образования, когда общая емкость АТС делится на группы. Задача выбора группы в которой находится вызываемый абонент возлагается на ступень группового искания (ГИ). Увеличение емкости АТС до 100000 номеров достигается введением еще одной ступени ГИ.

АТС с косвенным и программным управлением

Косвенное управление используется в координатных АТС в которых номер вызываемой абонентской линии (АЛ) воспринимается и запоминается специальным устройством регистров на время необходимое для установления соединения. Взаимодействуя с маркерами регистр выдает им адресную информацию необходимую для установления соединения. При косвенном управлении абонентский номер и количество ступеней ГИ координатной АТС не имеют жесткой связи как в декадно-шаговых АТС. Это позволяет гибко строить ступени ГИ и обеспечивает экономичное построение сетей. Коммутационная система координатной АТС строится из коммутационных блоков (КБ) объединяемых ступенью искания. При построении КБ применяется звеньевое включение характеризующееся тем, что соединение входа блока с выходом производится через 2 и более звена, т.е. в блоке образуются 2 и более точки коммутации. Каждое звено состоит из группы коммутаторов. Соединения коммутаторов различных звеньев осуществляется промежуточными линиями (ПЛ) с помощью которых выходы каждого коммутатора одного звена подключаются ко входам всех коммутаторов другого звена. Управление соединением в коммутационной системе производится релейными или электронными управляющими устройствами – маркерами, каждый из которых обслуживает 1 КБ. В отечественных координатных АТС применяется 3 вида ступеней искания: ступень АИ, ступень ГИ и ступень регистрового искания (РИ). Ступень АИ предназначена для осуществления исходящего и входящего соединений. Ко входам ступени АИ включается АЛ, а к выходам - искатели первой ступени ГИ и входной линии последней ступени ГИ. Регистры являются групповыми приборами, а функция ступени РИ – свободное искание регистров. Использование вычислительной техники в телефонии привело к созданию телефонных станций с программным управлением. В управляющем устройстве в таких АТС последовательность работы функциональных блоков станций определяется программой. Функции управления сосредоточены в управляющем комплексе, построенном на базе двух или более управляющих машин или процессоров. Управляющий комплект АТС выполняет функции управления установлением соединения, эксплуатацией и тех. обслуживания в соответствии с заданными алгоритмами функционирования. АТС с программным управлением имеет малое время реакции на внешние и внутренние сигналы и высокий коэффициент готовности. ПО АТС разделяется на внутреннее и внешнее. Внутреннее ПО реализует следующие функции: установление соединений, дополнительные виды обслуживания абонентов, загрузка и старт ПО, текущий контроль функционирования, диагностическое тестирование оборудования, изменение характеристик функционирования оборудования, изменение активного состава оборудования и данных, связь с оператором, управление внешними устройствами, служба времени, рестарт ПО, управление исполнительными программами и др. Могут также выполняться терификация, профилактический контроль оборудования и т.п. Программы реализующие эти функции объединяются в систему программ.

Цифровые АТС

В ЦАТС используется импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) сигнала. При этом процессы преобразования и передачи сигналов на входах, выходах и внутри устройств согласуются по частоте и времени. Цифровые коммутационные устройства являются 4-х проводными в силу особенностей передачи сигналов по цифровым системам. На вход коммутационного модуля с линии поступают, а с выхода уходят времеуплотненные сигналы ИКМ. За каждым канальным интервалом закреплен определенный речевой сигнал абонента. Информация об этом подается в сигнальном временном канальном интервале цикла. Блок или модуль осуществляющий функцию временной коммутации цифрового сигнала называется временной ступенью коммутации (Т–ступень), а осуществляющий пространственное преобразование – пространственной ступенью коммутации (S–ступень). Суть пространственного преобразования координаты цифровых сигналов состоит в том, чтобы переместить кодовое слово данного канального интервала из одной линии в другую с сохранением порядка следования канального интервала в структурах циклов обоих линий. Функционально S–ступень разбивается на 2 части - комбинационную и управляющую. Комбинационная часть (матрица) строится на интегральных схемах средней степени интеграции, на мультиплексорах и демультиплексорах. Управляющая часть представляет собой адресное ЗУ и цепи управления комбинационной части. Основными преимуществами ЦАТС является уменьшение габаритов и повышение надежности оборудования за счет использования элементной базы высокого уровня интеграции, повышение качества передачи и коммутации, увеличение числа вспомогательных и дополнительных служб, возможность создания на базе ЦАТС цифровых систем коммутации интегральных сетей связи, позволяющих внедрить различные виды и службы электросвязи на единой методологической и технической основе, уменьшение объемов работ при монтаже и настройке электронного оборудования в объектах связи, сокращение числа обслуживающего персонала за счет полной автоматизации контроля и функционирования оборудования и создания необслуживаемых станций, значительное уменьшение металлоемкости конструкции станций, сокращение занимаемой площади. Недостатком ЦАТС является высокое энергопотребление из-за непрерывной работы управляющего комплекса и необходимости кондиционирования воздуха.

Телематические службы

Телематические службы объединяют в средства эл. связи, обеспечивающие передачу и прием буквенно-цифровых текстов, рис., чертежей, ч/б и цв. фото. Они базируются преимущественно на коммутируемых телефонных сетях общего пользования. К телематическим службам относятся: телетекс, телефакс, бюрофакс, видеотекс. Служба телетекс явл. международной службой, кот-ая предоставляется абонентам для обмена корреспонденцией автоматической передачи из памяти в память через сети эл. связи. Осн. элементом обмена корреспонденцией между пользователями является страница. Это наименьшая самостоятельная единица текста. Не налагается никаких ограничений на процедуры, кот-ыми пользуется оператор при составлении текста или его расположении в зоне печати на странице. Служба телефакс – факс. служба общего пользования – предназначена для дистанционного обмена всеми видами графического, рукописного, печатного материала между абонентскими установками, располагающимися непосредственно у пользователей – абонентов данной службы. Служба бюрофакс выполняет аналогичные ф-ции, но между факс. установками, располагающимися в спец. бюро коллективного пользования. В отличие от службы телефакса, которая базируется на коммутируемых телефонных каналах сети общего пользования в каналах и сетях передачи данных, в службе бюрофакс могут исп-ся также и выделенные каналы, а также спец. линии и каналы связи, соединяющие бюро между собой. Служба видеотекс представляет собой интерактивную службу, которая дает возможность абонентам оконечных установок видеотекс с помощью стандартных процедур доступа получать инф-цию баз данных через сети эл. связи. Информация, хранящаяся в БД, предоставляется абонентам видеотекса в буквенно-цифровой и графической формах. Все телематические службы могут взаимодйествовать друг с другом, напр-р абоненты службы видеотекс могут получать доступ к услугам и абонентам служб телетекс и телефакс и наоборот.

Принципы построения ГТС

ГТС является местной сетью, представляющая собой совокупность коммутационных узлов, телефонных станций, линий и каналов оконечных абонентских узлов, телефонных станций, линий и каналов, оконечных абонентских устройств, предназначенных для обеспечения телефонной связью абонентов города. По построению ГТС делятся на нерайонированные и районированные. Нерайонированная сеть содержит одну АТС. Емкость ее не превышает 8000 номеров. Цифры «0», «8» не могут быть первыми цифрами номера, т. к. они определяют направление к узлу спецслужб и междугородной АТС (МАТС). Она строится в небольших городах. Схема ее имеет вид:

(РИСУНОК.3 Схема нерайонированной городской телефонной сети (ГТС))

УСС – узел спецслужб; УАТС – учрежденческие АТС; АМТС - междугородная АТС; СЛ – соединительная линия; АЛ – абонентские линии; СЛМ – соединительные линии между городами; ЗСЛ – заказно-соединительные линии;

При районировании территория города делится на несколько телефонных районов, в каждом из которых строится районная АТС (РАТС), куда включаются абоненты данного района. Районированные сети подразделяются на следующие типы: 1) Районированная ГТС без узлообразования; 2) С узлами входящего сообщения; 3) С узлами исходящего и исходящего сообщения.

Районированная ГТС (РГТС) без узлообразования, на которой РАТС соединяются друг с другом полносвязно по принципу каждая с каждым имеет следующую структуру:

Ёмкость районированной сети при 5-тизначной нумерации равна

80 000 номеров. Районированным АТС приравнивается однозначный код. Возможно построение РГТС с 6-ти значной нумерацией и ёмкостью до 800 000 номеров.

РГТС с узлами входящего сообщения объединяет телефонную нагрузку от РАТС других узловых районов и распределяет её между РАТС своего узлового района. При таком построении ГТС территория города разбивается на узловые районы (до 8). В каждом узловом районе устанавливается узел входящего сообщения и может быть создано до 10-ти телефонных районов с РАТС. Ёмкость сети в каждом узловом районе может быть доведена до 100 000 номеров, а ёмкость ГТС – до 800 000 номеров. Нумерация на таких ГТС 6-тизначная.

РГТС с узлами исходящих и входящих сообщений имеет следующую структуру:

УР – узловой район; УВС – узел входящего сообщения; УИС – узел исходящего сообщения.

При таком построении ГТС территория города разбивается на 80 узловых районов. УВС и УИС позволяют увеличить ёмкость ГТС до 8 000 000 номеров при использовании семизначной нумерации. При использовании на ГТС квазиэлектронных и цифровых АТС с программным управлением, имеющих большие ёмкости, возможности организации необходимого количества направлений, анализа кодов любой значности, организации полнодоступных пучков линий, образуются выделенные ГТС или узловые районы. На сетях с узлообразованием ёмкость выделенных узловых районов должна быть кратна 100 000 номеров.

Внедрение цифровых АТС способствует к переходу к цифровой телефонной сети. Абонентские линии разных цифровых АТС должны связываться между собой каналами цифровых систем передачи.

Сельские телефонные сети (СТС) строятся двумя способами: радиальным (рис.3) и радиально-узловым. По назначению и местоположению АТС в сельских телефонных сетях они делятся на центральные, узловые и оконечные. Связь городских и сельских сетей осуществляется через центральные или специально организованные узлы связи.

Нормы затухания на телефонных сетях

Высокое качество передачи речи в системе автоматически коммутируемой сети обеспечивается при соблюдении норм затухания сигналов, передаваемых между двумя оконечными пунктами сети. Жрать хочу.

Величина остаточного затухания разговорного тракта на частоте 800 Гц между телефонными аппаратами абонентов должна быть при связи абонентов: а) различных телефонных зон – не более 29,5 дБ; б) различных местных сетей одной телефонной зоны – не более 27,7 дБ; в) одной ГТС или СТС – не больше 28,6 дБ.

При распределении затухания принято:

  1.  максимальное затухание абонентской линии - 4,3 дБ;
  2.  затухание, вносимое коммутационным оборудованием РАТС - 1,3 дБ;
  3.  затухание в узлах исх. или вх. сообщений 0,45 дБ;
  4.  остаточное затухание каналов, оборудованных системой передачи по высокой частоте – 6,9 дБ;
  5.  то же с максимально возможным количеством узлов автоматической коммутации на междугородной сети –8,7 дБ;
  6.  затухание, вносимое коммутационным оборудованием – 0,9 дБ;

Выполнение требований по затуханию при междугородных соединениях достигается при применении аппаратуры ВЧ уплотнения.

Норма затухания на участке местной телеф-ной сети при связи с АМТС определяется в 9,5 дБ для участка тракта от телеф. аппарата до входа в АМТС.

Акустические сигналы, передаваемые абоненту телефонной сети

Акустические сигналы, звучащие в телеф. аппарате формируются для информирования абонента о ходе процесса установления соединения. Ак. сигналы характеризуются, блять, временной структурой, высотой тона, тембром, силой звука. На телеф. сети общего пользования различают 3 основных ак. сигнала:

  1.  Сигнал «ответ станции» - непрерывный, частотой 425 Гц, означающий, что АТС готова получить от абонента информацию – номер вызываемого абонента.
  2.  Сигнал «занято» - прерывистый, 425 Гц, пауза 0,4 сек, посылка 0,4 сек. Передаётся абоненту для информации о том, что вызываемый абонент занят другим разговором, или что система связи не может установить соединения из-за отсутствия свободных каналов.
  3.  Сигнал «контроль посылки вызова» - прерывистый, 425 Гц, пауза 3,2 сек, посылка 0,8 сек. Передаётся вызывающему аб-ту для информации о том, что соединение установлено и сигнал вызова проходит к тел. апп-ту (ТА) вызываемого аб-та.

На национальных сетях рекомендуются дополнительные сигналы, например, сигнал предупреждения о записи разговора (когда осуществл-ся запись разговора на абонентском ТА подаётся импульс длительностью 350-500 мс, пауза 15 с, частота 1400 Гц), специальные информационные сигналы (например, абон-нт городского таксофона предупреждается о необх-ти положить в накопитель следующую монету для продолжения разговора). На АМТС используются автоответы, например, «неправильно набран код города», «вызывайте телефонистку», «ждите».

Телеграфные системы и сети связи.

Построение телеграфной сети

Рациональная организация проводной телеграфной сети решается путем ее узлования, которое дополняется радиальным построением связи. Радиально-узловая система телеграфной сети построена на основе нескольких типов узлов связи: 1) центральный узел в г. Москве соединяется прямыми радиальными связями с крупными административными и промышленными центрами страны. Республиканские центры страны имеют прямые связи со всеми своими областными центрами - узлами; 2) главные узлы возглавляют соответствующие зоны телеграфной сети России. Они связаны с центральным узлом в Москве мощными средствами связи. Главные узлы организованы на базе наиболее крупных областных узлов. Между собой они соединяются по принципу каждый с каждым. Кроме того, главные узлы связаны с тяготеющими к ним областными узлами; 3) областные узлы создаются во всех областных, краевых, республиканских центрах. Они возглавляют систему областных связей и одновременно является опорными узлами сети магистральных связей. Вместе с этим областные узлы имеют прямые связи с городскими отделениями связи, абонентскими и клиентскими установками. Кроме того, областные связи имеют прямые телеграфные связи с главным узлом своей и соседней зон и с центральным узлом; 4) районные узлы организуются во всех районных центрах и крупных промышленных пунктах данной области. Они имеют прямые связи со всеми отделениями связи района, с областным узлом и в отдельных случаях между собой; 5) межрайонные узлы при надобности организуются в наиболее крупных районных центрах. В них включают некоторые районные узлы, которые вследствие большой удаленности и отсутствия линий не могут быть включены непосредственно в областной узел. Межрайонные узлы имеют прямые телеграфные каналы не только к своему областному узлу, но и в отдельных случаях и к главному республиканскому узлу связи. В зависимости от типа соединяемых узлов телеграфные связи разделяются: магистральные, внутрирайонные, внутриобластные и городские. Магистральные связи соединяют республиканские, областные (краевые) и др. крупные центры с Москвой и между собой. На отдельных направлениях имеются специальные рокадные (обходные) магистрали. Внутриобластные связи соединяют областной центр с районными центрами и районные центры (одной области или соседних областей) между собой. Внутрирайонные связи соединяют районный узел с сельскими отделениями связи, нах-ся в пределах района. Городские связи соединяют городские отделения связи и абонентские установки с центральным телеграфом и между собой.

Методы телеграфирования.

В настоящее время 2 метода: 1) постоянным током и частотный (тональный). Телеграфирование постоянным током осуществляется по воздушным проводам и каналам, образованным по средним точкам телефонных цепей. При частотном телеграфировании передача осуществляется при помощи токов несущих частот, у которых изменяется амплитуда или частота. Первый способ передачи телеграфных сообщений называется тональным телеграфированием с АМ, а второй - с ЧМ. Частотное телеграфирование осуществляется по ВЧ-ым телефонным каналам уплотненных воздушных, кабельных и р/релейных линий, по НЧ-ым телефонным каналам, образованным в надтональном спектре частот воздушных линий связи. Если на всем протяжении линии использованы провода из одинакового материала и имеющие один и тот же диаметр, то линия называется однородной. Неоднородные линии составлены из проводов различных диаметров или из проводов с кабельными вставками. Лин. напряжение на телеграфных связях не должно превышать по отношению к земле. Для стального воздушного провода - 160В, а для городского телефонного кабеля - 80В. Входящие и исходящие токи имеют номинальную величину в 20мА. Ориентировочная дальность непосредственного телеграфирования (между оконечными телеграфами без трансляции) по воздушным линиям = 200-500км. Телеграфные каналы, образованные по средним точкам телефонных цепей по сравнению с каналами, образованными по однопроводным линиям имеют меньшее активное сопротивление, но и пониженное сопротивление изоляции. Никаких особых техн. требований к каналам, образованным по средним точкам телефонных цепей, не предъявляется. При телеграфировании постоянным током применяется однополюсная и двухполюсная передача. Двухполюсное телеграфирование постоянным током имеет след-щие преимущества по сравнению с однополюсным: удвоенную амплитуду действующего тока, повышенную помехозащищенность, большую устойчивость при пониженном сопротивлении изоляции провода. Повышенная помехозащищенность при двухполюсном телеграфировании объясняется большей амплитудой действующего тока, наличием в интервалах тока обратного направления, большей крутизной спадания и нарастания входящего тока. Работа оконечных аппаратов осуществляется по симплексным и дуплексным схемам. Скорость телеграфирования N хар-ся числом элементарных посылок (Бод), передаваемых в 1 с. Ее можно определить также как величину, обратную длительности элементарной посылки t0, выраженной в секундах: N=1/t0.

Методы уплотнения каналов телеграфной связи

Различают след-щие методы уплотнения: частотное, временное и частотно-временное. Метод частотного уплотнения получил наибольшее распространение, т.к. он позволяет: 1) использовать весь частотный диапазон телефонного канала; 2) создать в телефонном канале большое кол-во независимых теграфных каналов; 3) применять в каждом канале телеграфную аппаратуру любого типа (стартстопную, синхронную, с неравномерным кодом) с любой скоростью передачи, но не более предельно допустимой. Метод частотного уплотнения основан на делении частотного диапазона телефонного канала (от 300-3400Гц или 300-2700Гц) на ряд частотных полос (каналов частотного телеграфирования шириной 80 или 140 Гц). Деление телефонного канала на более узкие телеграфные каналы осуществляется с помощью фильтрующей системы. При этом неизбежны непроизводительные потери части спектра телефонного канала на рас фильтровку (расстояние между полосами пропускания отдельных фильтров). Потери на рас фильтровку составляют (0,2-0,35)F, где F - диапазон частот телефонного канала. Кроме потерь части спектра метод частотного уплотнения обладает след-щими недостатками: малым уровнем мощности в каждом телеграфном канале, значительно меньшим (в n2 раз, n - число каналов) допустимого уровня на входе телефонного канала, что ухудшает соотношение сигнала и помехи; большим взаимным влиянием между телеграфными каналами. Расчетное значение максимально допустимой мощности на входе телефонного канала - 5мВт=Р0 мощность каждого телеграфного канала частотного уплотнения: Pi=P0/n2=510-3/n2 Вт. Взаимное влияние между телеграфными каналами определяется линейными переходами за счет не совершенства фильтрующей системы и малой полосы рас фильтровки, нелин. переходами за счет нелинейности общего телефонного канала и появление вследствие этого гармонических составляющих несущих частот отдельных телеграфных каналов, спектр которых совпадает с рабочими частотами других телеграфных каналов. Уменьшение нелинейных переходов достигается повышением требований к линейности телефонного канала; выбором несущих частот телеграфных каналов так, чтобы четные гармонические составляющие, имеющие большую амплитуду, приходились на полосы рас фильтровки; правильным выбором фаз несущих телеграфных сигналов, что уменьшает пиковое значение суммарного уровня. Системы частотного уплотнения подразделяются на системы тонального телеграфирования (в полосе 300-3400Гц или 300-2700Гц) и системы надтонального телеграфирования (3000-5500Гц). В различных типах аппаратуры частотного уплотнения осуществляется модуляция телеграфными посылками путем воздействия на один из след-щих параметров переменного тока: амплитуду, частоту, фазу. Соответственно их наз-ют АМ, ЧМ и ФМ.

Временное уплотнение телеграфных каналов

Метод временного уплотнения свободен от недостатков метода частотного уплотнения. При временном уплотнении телеграфные ПРД подключаются к телефонному каналу через систему распределения. Временное уплотнение может быть осуществлено механическим и электронным способом. Теоретически пропускная способность системы временного уплотнения определяется выражением v0=vkn, бод, где vk - скорость телеграфирования в одном канале или крате, а n - число каналов или крат. Учитывая, что максимальная скорость телеграфирования при передачи двух боковых полос равна v0=kF, F - используемый диапазон частот, k =0,6-0,8 - коэффициент использования спектра, определяемый способом модуляции, фильтрующей системой и заданным кач-вом воспроизведения. Число каналов или крат в системе временного уплотнения равно n= kF/vk. Для случая общего широкого телефонного канала и скорости телеграфирования в одном канале 50 бод максимальное число каналов или крат равно n=0,8(3400-300)/5050. Общая скорость телеграфирования равна v0=vkn=5050=2500бод. Длительность элементарной посылки ts=1/v0=0,4мс. Реализация временной системы с большим числом каналов встречает ряд трудностей: 1) Передача элементарных посылок малой длительности требует идеальных телефонных каналов без перекоса фазовой характеристики; 2) Распределительное электронное оборудование на большое число каналов обладает пониженной надежностью; 3) Необходимо специальное согласование синхронного распределительного оборудования со стартстопной телеграфной аппаратурой в каналах. Данный метод по сравнению с частотным имеет ряд преимуществ: более полное использование частотного спектра телефонного канала, большой уровень сигнала и как следствие незначительное влияние помех, отсутствие переходных влияний между телеграфными каналами.

Частотно-временное уплотнение телеграфных каналов.

Метод частотно-временного уплотнения - комбинация методов временного и частотного уплотнения телефонного канала. Телефонный канал делится фильтрующей системой на небольшое кол-во частотных каналов, в каждом из которых осуществляется временное уплотнение. К достоинствам этого метода относится: большой уровень сигнала в каждом частотном канале и след-но незначительное влияние помех, эффективное использование частотного спектра телефонного канала за счет небольшого числа рас фильтровок и получение вследствие этого большого числа каналов, синхронный способ передачи в каждом частотном канале, позволяющий достигнуть высокой исправляющей способности системы, возможность выделения одного частотного канала в промежуточном пункте линии связи и прохождение остальных каналов без переприема, сравнительно большая длительность элементарной посылки и меньшая зависимость от линейности фазовой характеристики телефонного канала. Основной недостаток - трудность согласования синхронного распределителя со стартстопной телеграфной аппаратурой. Это приводит к использованию аппаратов с определенной скоростью телеграфирования.

Коды и алфавиты телеграфных аппаратов

На сетях отечественной проводной связи используются телеграфные аппараты, осуществляющие передачу телеграмм 5-тизначным двоичным кодом. Ранее использовались аппараты с кодом Морзе. Код Морзе - неравномерный код, т.к. в нем каждый знак для передачи составляется из комбинации, имеющих различное кол-во коротких и длинных посылок тока. Код Морзе использовался в аппаратах Морзе и в быстродействующих автоматизированных устройствах - трансмиттерах и ондуляторах, используемых при телеграфной р/связи. 5-тизначный код - равномерный код, т.к. для передачи любого знака по этому коду требуется 5 одинаковых по длительности элементарных посылок. Кол-во возможных комбинаций 5-тизначного двоичного кода равно С=25=32. Код Морзе - сочетание коротких посылок (точек) и длинных (тире), по длительности равным 3 точкам. Коду Морзе присущи недостатки: неравномерность по продолжительности комбинаций знаков, что усложняет конструкцию буквопечатающих телеграфных аппаратов; не экономичен - для передачи одного знака требуется с учетом «пробела» около 9,5 элементарных посылок тогда, как при передачи 5-тизначным равномерным кодом лишь 5 элементарных посылок. 5-тизначный двоичный код позволяет при 3 регистрах аппарата передать 31 букву русского алфавита, 26 - латинского, 9 цифр, 11 знаков препинания и других знаков, 2 служебные функции, 6 служебных кодовых комбинаций.

Факсимильная связь (ФС)

ФС нужна для передачи текстовых, штриховых и полутоновых сообщений по каналам внутрирайонной, городской и магистральной телеграфной связи. Междугородная и магистральная связи осуществляются по телефонным ВЧ-каналам воздушных, кабельных и р/релейных линий, а также по р/КВ-ым линиям связи. Городские и низовые факсимильные связи осуществляются по линиям городских и внутрирайонных телефонных сетей. Используется 4хпроводная линия для осуществления дуплексной связи. Передача сигналов ФС по телефонным ВЧ-каналам всех систем уплотнения осуществляется след-щими 3 способами: 1) способом АМ с симметричным ограничением боковых полос; 2) способом АМ с асимметричным ограничением боковых полос; 3) способом ЧМ поднесущей частоты. По способу 1) факсимильные сигналы передаются на несущих частотах 1500Гц по каналам с полосой 300-2700Гц и 1900Гц по каналам с полосой 300-3400Гц. В составе спектра частот модулированного сигнала содержатся частоты: несущая и 2 боковые полосы, симметрично ограниченные фильтрами каналов. Этот способ применим как при работе по каналам междугородной телефонной автоматики, оборудованными двухчастотными или одночастотными ПРМ тонального набора. Способ 2) отличается от 1) более высокой несущей частотой 2800 или 3100Гц, расширенной примерно в 1,8 раз нижней боковой полосой и частично ограниченной верхней боковой полосой (ВБП). Несимметричное ограничение БП осуществляется с помощью спец. фильтра, имеющего кососимметричное отн-но несущей частоты изменение коэффициента пропускания. За счет асимметричного ограничения БП и коррекции фазовых искажений скорость передачи при этом способе в 1,8 раза выше по сравнению с первым. При способе 3) поднесущая 1900Гц модулируется факсимильным сигналом по частоте. Полоса частот модулированного сигнала при этом способе не отличается от полосы частот первого способа 1). Способ 3) по сравнению с 1) не чувствителен к колебаниям остаточного затухания, к нелинейным искажениям и имеет большую помехозащищенность. Он может использоваться на выделенных каналах, а также на каналах междугородной телефонной автоматики, оборудованных двухчастотными ПРМ тонального набора. Для работы по этому способу факсимильные аппараты комплектуются спец. приставками ЧМ. Для передачи факсимильных сигналов по р/КВ-ым линиям связи кроме выше описанного способа ЧМ поднесущей частоты 3), применяется метод ЧМ несущей частоты ПРД. При способе 3) используются обычные р/телефонные (двухполосные и однополосные) ПРД и обычные р/телефонные ПРМ. При методе ЧМ несущей частоты ПРД применяются р/ПРД и р/ПРМ, работающие с ЧМ. При ЧМ несущей частоты ПРД обеспечивается в 1,5 раза большая скорость передачи и высокая устойчивость связи за счет большей помехозащищенности. Метод 3) применяется на международных р/факсимильных связях, а метод ЧМ несущей частоты на внутригосударственных р/ФС.

Факсимильные аппараты. Построение и принцип действия

В состав факсимильного аппарата входит ПРД и ПРМ, которые в некоторых аппаратах могут быть объединены конструктивно. ПРД состоит из след-щих узлов: механизм развертки, электронный блок, блок синхронизации, пульт управления и блок питания. Механизмы развертки могут быть по принципу действия с подвижной и неподвижной оптич. частью. В первом случае оптич. каретка поступательно движется вдоль вращающегося барабана, а изображение, подлежащее факсимильной передаче, навертывается на барабан подобно движению листа бумаги в принтерах. Механизм развертки состоит из эл. двигателя, редуктора, барабана, механизма ходового винта и оптич. системы. Структура ПРД имеет вид:

1 - редуктор подачи каретки; 2 - редуктор привода барабана; 3 - барабан; 4 - оптич. каретка; 5 - эл. двигатель; 6 - усилитель мощности; 7 - делитель частоты; 8 - прецензионный генератор; 9 - модулятор; 10 - усилитель; 11 - пульт управления; 12 - переговорно-вызывное устройство. 8 вырабатывает переменной ток стабильной частоты, частота которого уменьшается до 300Гц в 7, усиливается в 6 и подается на 5 через 2 и 1, приводящие в движение 3 и 4. Световой луч от лампочки через фокусирующую систему подается на передаваемой изображение. Отраженный луч через оптич. систему попадает на световой ПРМ (фотоэлектронный умножитель ФЭУ), преобразующий световое излучение в эл. сигнал. Последний модулирует несущую частоту в 9, усиливается в 10 и через 11 подается в линию связи. В конструкции с неподвижной оптич. кареткой барабан имеет как вращательное, так и осевое поступательное движение. Сущ-ют конструкции факсимильных аппаратов с развертывающей оптич. системой. В них за счет качения зеркала луч света как прямой, так и отраженный перемещается по листу с изображением поперечно его поступательному движению. Современные факсимильные аппараты используют эту систему развертки с лазерным лучом в кач-ве источника света. ПРМ факсимильных аппаратов классического типа имеет структуру анал-ную ПРД на рис. 1 если прием ведется на фотобумагу и фотопленку. В кач-ве источника света используют газосветную лампу. ПРМ факсимильных аппаратов могут вести прием на эл.-хим. или эл.-термическую бумагу. В таких аппаратах бумага равномерно движется между пишущими электродами. Пишущие электроды состоят из вращающегося барабана с одновитковой спиралью и линейки, которая под действием пружин прижимается к спирали. Геометрическое место точек касания линейки со спиралью за каждый оборот барабана образует строку развертки длиной 220мм. В направлении от линейки к спирали через бумагу в точке касания протекает ток, величина которого в каждый данный момент пропорциональна оптич. плотности передаваемого элемента изображения. От действия тока в бумаге происходит хим. реакция окрашивания. Интенсивность окрашивания в черный цвет каждой точки пропорциональна величине протекающего тока. В факсимильных аппаратах с конструктивным объединением ПРД и ПРМ развертывающее устройство и пишущий узел располагают с разных сторон барабана, имеющего вращательное и осевое поступательное движение. Пишущий ролик электромагнитом притягивается через красящую ленту бумаги. В рез-те изображение может быть только штриховым. В современных факсимильных аппаратах бумага электризуется лазерным лучом, протягивается через кассету с тонером, т.е. красящим порошком, который остается только на наэлектризованных участках и затем закрепляется на бумаге термообработкой.

Вокодеры

Вокодер предст. собой устройство, осуществляющее параметрическое компандирование (сжатие) речевых сигналов. Компрессия речевых сигналов на передающем конце канала связи производитсяв анализаторе, выд-щем из речевого сигнала медленно меняющиеся параметры. Эти параметры передаются по каналу связи. На приёмном конце с помощью местных источников сигналов, управляемых принятыми параметрами синтезируется речевой сигнал. Вокодеры разл-ся по принципам анализа и синтеза речевых сигналов: полосные (канальные), формантные, фонемные, гармонические (ортогональные) и др.

В последние годы распространение получили ЛПК-вокодеры, в которых используются принципы линейно-программирующего (предикативного) кодирования находят применение и полувокодеры , в которых наряду с синтезированием речевых сигналов на одном уч-ке частотного диапазона используются речевые сигналы, переданные с помощью непосредственного кодирования на другом уч-ке частотного диап-на. Вокодеры различаются также по методам преобразования сигналов: аналоговые, цифровые, аналогово-цифровые. Упрощенная структурная схема классического вокодера имеет вид:

РИС.1

Кодер в схеме обычно называют анализатором, а декодер – синтезатором. Поэтому в отсутствие квантования об устр-ве, схема кот. приведена на рис. 1 говорят как об устройстве анализа – синтеза. В анализаторе оцениваются параметры (в устройстве оценивания УО), определяется тип сегмента данных, тон или шум (вокализованный или невокализованный), оценивается период следования и амплитуда импульсов основного тона в устр-ве выделения осн. тона (ВОТ). Оценки пар-ров амплитуды импульсов и периода, а в его отсутствие оценка дисперсии шумового возбуждения после квантования вместе с решением тон-шум кодируются, уплотняются и передаются на приемную сторону.

В синтезаторе сигнал восст-ся с пом. квазилинейного цифрового фильтра ЦФ или набора ЦФ, параметры или характеристики которого устанавливаются равными принятым оценкам. На вход ЦФ поступает возбуждение либо от генератора тона ГТ (это обычно периодическая последовательность импульсов заданной формы), либо от генератора шума ГШ, в зав-и от сост-я перекл-ля П. Период , амплитуда или дисперсия возбуждения устанавливаются равными принятым оценкам. Способы выполнения анализа в вокодерах разделяют на спектральные и временные.

Спектральные способы анализа лежат в основе полосных, формантных и ортогональных вокодеров. В таких вокодерах на передающей стороне выч-ся оценка огибающей амплитудного спектра сигнала на интервалах в 10-30 мс. В полосных вокодерах эта оценка получается в форме ступенчатой интерполяции огибающей, значения кот. форм-ся на выходе гребенки (набора) ЦФ и сглаживающих устр-в. В формантных вокодерах огибающая спектра описывается оценками формантных пар-ров, а в ортогональных вокодерах - ортогональным рядом.

Еще одной разновидностью цифровых вокодеров является так называемый гомоморфный вокодер. Для вокодеров этого типа характерно использование алгоритмов преобразований, основанных на представлении речевых сигналов в виде свертки функции возбуждения голосового источника с импульсной характеристикой голосового тракта.

Временные способы анализа используются вокодерах с линейным предсказанием и некоторых других. В УО формируются, например, оценки частки частных корреляций или однозначно связанных с ними параметров. Важным достоинством методов анализа с предсказанием является их непосредственная связь с исходными моделями, в которых сконцентрированы априорные сведения о сигнале. Это открывает вполне определенную перспективу соверш-я вокодерных систем путем повыш-я точности исходных моделей и разработки оптимальных алгоритмов анализа.

К настоящему времени имеются достаточные основания для такого соверш-я, т.к. с одной стороны, вокодеры не обеспечивают качество передачи сравнимое с качеством при дельта-модуляции и, с другой, глубокое изучение процессов, протекающих в артикулярном аппарате и речеобразовании показало ограниченность применяемого в вокодерах описания сигналов.

Преимуществом спектральных методов является возможность использования в них изученных и изложенных в основном на спектральном языке простейших свойств слухового восприятия слуховых сигналов. В настоящее время более эффективными являются ЛПК – вокодеры.

Полосные вокодеры (ПВ)

Типовая структурная схема ПВ приведена на рис.2. Речевой сигнал от микрофона поступает на гребенку полосовых фильтров анализатора. На выходе каждого фильтра включены детектор и сглаживающий фильтр низких частот (ФНЧ), выделяющие огибающую речевого сигнала в данной частотной полосе. Полученные медленно меняющиеся напряжения на выходе ФНЧ характеризуют амплитуду речевых сигналов am(t) в данной частотной полосе. Речевой сигнал поступает также на устройство выделения ОТ, на выходе которого формируется сигнал, характеризующий частоту ОТ (t).

Кроме того, в анализаторе выделяется состав спектра звуков речи: дискретный для вокализованных звуков (то есть тон) и сплошной для невокализованных звуков (т.е. шум). Устройство выделения сигналов тон-шум может работать либо непоср-но от речевых сигналов, либо от сигналов, полученных на выходе устройства выделения ОТ. Поэтому устройство выделения сигналов тон-шум по рис.2 имеет два входа, а в конкретных схемах используется один из них.

РИСУНОК 2

Сигналы, полученные на выходе сглаживающих фильтров СФ и на выходах устройств выделения сигналов основного тона ВОТ и тон-шум ВТШ объединяются и преобразуются в сигналы приемлемые для передачи по каналу связи. Объединение и преобразование производится в устройствах, кот. на схеме показаны как объединяющее устройство.

На приемном конце канала связи производится разделение сигналов в разделяющем устройстве и преобразование их в сигналы, необходимые для работы синтезатора. В аналоговых вокодерах объединяющее и разделяющее устройства реализуются на принципах частотного разделения сигналов, а аналого-цифровых и цифровых вокодерах на принципах временного разделения сигналов. Сигналы тон-шум управляют переключателем, с помощью которого на входную гребенку полосовых фильтров ПФ подается либо широкополосный шум от генератора шума ГШ, либо импульсы от генератора основного тона ГОТ. Последний управляется сигналом (t) таким образом ,что частота следования импульсов на выходе равна частоте основного (ОТ) речевого сигнала на передающем конце. Совокупность ГОТ, ГШ и схема переключателя тон-шум называется генератором речевого спектра (ГРС). С выхода входных ПФ сигналы поступают на амплитудные модуляторы АМ (модулируемые сигналы). На другой вход АМ в качестве модулирующих поступают сигналы, которые обычно после разделяющего устройства проходят через сглаживающие ФНЧ. С выхода АМ сигналя поступают на гребенку выходных ПФ, служащих для уменьшения побочных продуктов модуляции возникающий в АМ. Совокупность схем и узлов, в которых преобразуются речевые сигналы в пределах каждой частотной полосы, (от входа ПФ анализатора до выхода ПФ синтезатора обычно называют спектральным каналом полосного вокодера).

На рис.3 схематически показано преобразование спектра гласного звука в вокодере, содержащем гребенку из идеальных ПФ. Спектр на выходе вокодера отличается от спектра на входе тем, что плавная огибающая спектра заменяется ступенчатой.

Структурные схемы полосных вокодеров могут несколько отличаться от схемы на рис.2. Например, в некоторых схемах отсутствуют устройства выделения и переключения тон-шум. Но вместо этого на ПФ, охватывающие верхнюю часть частотного диапазона постоянно подается шум от ГШ, а на остальные фильтры импульсы ОТ. В других схемах могут отсутствовать сглаживающие фильтры на передаче или приеме. В некоторых схемах синтезатор содержит только одну гребенку ПФ. В последнем случае с ГШ выдается хаотическая последовательность импульсов и АМ работают в режиме амплитудных импульсных модуляторов. Ширина полосы сглаживающих фильтров обычно составляет от 0 до 34 Гц. Для передачи сигналов тон-шум и ОТ достаточной является полоса до 50 Гц. Таким образом ширина полосы, занимаемой вокодерными сигналами без учета потерь на расфильтровку f=N+100 Гц. Число ПФ в вокодерах различно. Наиболее часто используют вокодеры с числом фильтров N=6-12. При увеличении числа фильтров повышается разборчивость и улучшается качество звучания речи, но одновременно возрастает ширина полосы занимаемая сигналом вокодера. Из приведенной формулы следует, что при N=6 f=310Гц, а при N=12 f=520 Гц. По нормам для систем передачи один телефонный канал занимает полосу f=3400-300=3100 Гц, т.е. полосной вокодер дает сжатие полосы примерно в 6-10 раз. При числе спектральных каналов N от 6 до 12 удается получить достаточно высокую разборчивость речи, однако звучание речи существенно отличается от натурального: речь сопровождается специфическими призвуками, узнаваемость голосов не высокая. Ширина полосы фильтров обычно выбирается не одинаковой: в нижней части спектра более узкая , в верхней более широкая. Законы изменения ширины полосы различны: октавный, логарифмический и др. Наиболее часто выбираются полосы равной разборчивости или равного кол-ва информации. Для идеальной работы необходимо было бы иметь фильтры, у которых в полосе пропускания затухание очень мало, а вне ее бесконечно велико. Однако реализовать такие фильтры практически невозможно и используются фильтры, у которых частотные характеристики перекрываются и затухание на средней частоте соседних фильтров составляет 20-45 дБ. За граничную частоту фильтров принимают либо частоту, соответствующую точке пересечения частотных характеристик соседних фильтров, либо частоту , соответствующую определенному затуханию, например, 6 дб. Возможны и другие методы определения граничных частот.

Из-за неидеальности частотных характеристик фильтра реальный спектр на выходе вокодера отличается от приведенного на рис.3д тем, что на границах фильтров изменяются амплитуды сигналов. Это происходит за счет неравномерности характеристики затухания и взаимного влияния сигналов одной и той же частоты, проходящих через соседние фильтры с разным фазовым сдвигом.

Формантные вокодеры

В формантных вокодерах огибающая спектра рабочего сигнала аппроксимируется с помощью комбинации нескольких простых резонансных кривых, число кот. обычно соответствует числу формантных областей (обычно 24). Структурная схема формантного вокодера имеет вид:

(РИС. 4)

Устройство выделения осн. сигнала и сигнала тон-шум, объединяющее и разъединяющее устройства, а также генератор речевого спектра в формантных вокодерах выполняют те же ф-ции, что и в полосных.

Устройства выделения амплитуд формант могут выполняться также, как и в полосных вокодерах выполняются устройства для выделения уровней в различных частотных полосах (полосовой фильтр (ПФ), детектор и сглаживающий фильтр). Устройство выделения частоты формант, реализуется различными способами, из которых наиболее известны два: с помощью ПФ и рометров (частотомеров).

При использовании 1-го способа речевой диапазон частот разбивается на достаточно большое количество полос. Сигналы с выходов ПФ, охватывающих область каждой из формант подаются на амплитудный дискриминатор, с помощью которого определяется в каком из фильтров в данный момент наиболее высокий уровень. Средняя частота этого фильтра принимается за формантную частоту Fф . При таком способе анализа по каналу связи достаточно передать информацию о том, в каком из каналов уровень наибольший для каждой формантной области. Номер канала при данном способе однозначно определяет формантную частоту. Детектор, с помощью которого определяется уровень форманты aФ подключается к фильтру с наибольшим уровнем. В некоторых случаях за амплитуду форманты aФ принимается уровень сигнала в полосе, соответствующей ширине полосы, охватывающей данную формантную область.

При использовании рометров речевой диапазон с помощью фильтров делится на широкие полосы, каждая из которых соответствует области одной из формант. На выходе каждого из фильтров включается рометр – устройство, с помощью которого определяется плотность нулей в речевом сигнале. В рометре, обычно, предельно ограничивается речевой сигнал и затем измеряется частота следования им пульсов с помощью общеизвестных схем частотомеров. Т.к. средняя частота следования однополярных импульсов через ноль примерно равна частоте, имеющей в спектре речевого сигнала наибольшую амплитуду, то напряжение на выходе рометра пропорционально формантной частоте. Для повышения точности работы рометры иногда делают двухступенчатыми.

В качестве генератора формант используют либо управляемые резонансные контуры, либо управляемые полосовые фильтры, на выходе которых или на входе включены амплитудные модуляторы. Среднюю частоту управляемых контуров, или фильтров устанавливают с помощью сигналов, характеризующих частоту форманты FФ. Амплитудные модуляторы управляются сигналами, характеризующими уровень (т.е. амплитуду) формант aФ. Частотные характеристики управляемых контуров или фильтров соответствуют среднестатистической огибающей спектра речевого сигнала в каждой формантной области. На рис.5 схематически показано преобразование спектра в формантном вокодере с передачей амплитуд и частот трёх формант.

Обычно в формантных вокодерах кроме основного тона передаётся не более 6-ти параметров, характеризующих частоты: а1, а2, а3, F1, F2, F3. Для передачи каждого из этих параметров отводится полоса 25-35 Гц, т.е. примерно такая же, как и в полосных вокодерах. Т.к. число передаваемых параметров в формантных вокодерах обычно меньше, чем в полосных, то и суммарная полоса, занимаемая сигналами форм-ных вок-ров также меньше. Разборчивость речи при использовании форм-ных вок-ров может быть получена достаточно высокой, однако, как и у полосовых вок-ров, натуральность звучания речи невысока, речь сопровождается специфическими искажениями и призвуками. В некоторых типах форм-ных вок-ров сигналы основного тона не передаются, речевые сигналы синтезируются при постоянной частоте ОТ, поэтому узнаваемость голосов отсутствует и речь звучит монотонно.

Фонемные вокодеры (ФнВ)

ФнВ предназначены для получения компрессии речевых сигналов, близкой к предельной. На передающем конце производится анализ речевых сигналов и определяется какая из фонем в данный момент произносится. По каналу связи передаются сигналы, характеризующие номер фонемы. При обычной речи произносится около 10-ти фонем в сек. Поскольку число фонем в русском языке не превышает 64, то достаточно пропускать по каналу связи 60 имп/сек (6-тизначный код 10 раз/сек), что соответствует ширине полосы около 40 Гц. Структурная схема ФнВ на рис.6.

РИС.6

В ФнВ узнаваемость голосов отсутствует, качество звучания речи невысокое главным образом из-за того, что анализаторы не обеспечивают необходимой точности выделения фонем из слитной речи. Создание приемлемого по качеству речи синтезатора особых трудностей не представляет. Анализаторы в ФнВ выполняются с учётом статистических свойств и характерных особенностей речевых сигналов. В процессе анализа выделяются различные параметры, характеризующие речевой сигнал: распределение энергии по частоте, местоположение и интенсивности формант, распределение переходов через ноль на коротких отрезках времени и т.д. Выделенные и переданные по каналу связи параметры сопоставляются с хранящимися в памяти анализатора значениями параметров, соответствующих параметрам эталонных фонем, слогов или слов. Каждой фонеме соответствует определённая кодовая комбинация, которая передаётся в канал после того, как будет определено к какой из эталонных фонем ближе всего эталонный речевой сигнал.

Методы используемые в анализаторах ФнВ могут быть применены не только для уплотнения каналов связи, но и для создания автоматических пишущих машинок, печатающих с голоса, и для управления различными мех-ми и процессами. Особый интерес к ФнВ проявляется в последнее время, т.к. создание высококачественного ФнВ может не только дать большой выигрыш по ширине полосы канала связи, но и решить проблему ввода-вывода речевой информации в ЭВМ, т.е. обеспечить непосредственный контакт человека с ЭВМ или роботом.

Ортогональные вокодеры (ОВ)

Как отмечалось выше, в полосовых вок-рах огибающая спектра речевых сигналов аппроксимируется ступенчатой кривой, а в формантных – резонансными кривыми. Очевидно, что огибающую спектра можно аппроксимировать и другими способами, например, представить в виде суммы парабол, функции (sin X)/X, гармонических или других ортогональных ф-ций. При таких способах аппроксимации на передающем конце канала производится выделение огибающей спектра речевого сигнала и разложение её в ряд. Затем у каждого члена ряда определяются коэф-ты и их значение, являющиеся параметрами речевого сигнала, передаются по каналу связи. На приёмном конце синтезируется огибающая спектра речевого сигнала. Вокодеры такого типа обычно называют ортогональными или гармоническими вокодерами. Генератор речевого спектра, объединяющее и разъединяющее устройства, устройство выделения сигналов основного тона или тон-шум в ОВ могут быть выполнены также, как и в полосном. Структурная схема ОВ имеет вид:

(РИС.7)

В качестве устройства выделения огибающей может быть использована гребенка полосовых фильтров с их большим количеством. С помощью матричной схемы производится выделение коэффициентов - членов ряда. Схема матрицы варьируется от того, по каким ортогональным функциям производится разложение в ряд.(тригонометрические функции, функции Досселя, полиномы Лежандра, и т.д.). Управляющее устройство служит для получения на основе значений коэффициентов членов ряда сигналов, необходимых для управления многополюсником. С помощью управляющего устройства и многополюсника с переменной характеристикой синтезируется частотная характеристика, соответствующая огибающей спектра речевого сигнала. Управляющее устройство и многополюсник могут представлять собой единое устройство. Схема гармонического вокодера впервые была предложена Пироговым в 1958 г. Позднее появились разновидности этой схемы, например косинусной, логарифмический, Чебышевский вокодеры. Все они несколько отличаются схемным выполнением, однако общая структурная схема остается такой же, как на рис.7. Для передачи каждого из коэффициентов разложения в ряд необходима такая же полоса, как и для передачи уровней в полосовом вокодере. Число коэффициентов, значения которых надо передавать, равно 8-10 и следовательно полоса частот в канале связи будет такой же как и у полосовых вокодеров. Звучание речи на выходе гармонических вокодеров существенно отличается от натурального, речь сопровождается искажениями и призвуками, также как и у фонемных вокодеров, так и для полосовых вокодеров.

Канальный вокодер

Канальные вокодеры разработаны в 1928 году. Основная часть процесса кодирования в канальных вокодерах состоит в определении коротковременного спектра сигнала. (Рисунок 8)

Блок полосовых фильтров кодера исп-ся для разделения речи на полосы, в кот. производится двухполупериодное выпрямление и фильтрация для определения относ. ур-ней мощности. Отд. ур-ни мощности кодируются и передаются на приемную сторону.. Этим канальный вокодер весьма похож на кодер с разделением на полосы. В доп-е к изм-ю спектра сигнала совр. канальные вокодеры опр-ют также хар-р возбужд-я речи (гласный или звонкий согласный звук в отличие от глухого звука) и частоту ОТ для гласных или зв. согласных звуков. Измерение возбужд-я исп-ся для синтеза речевого сигнала в декодере путем пропускания сигнала соотв-но подобранного ист-ка через модель ф-ции передачи речеобразующего тракта в частотной области. Возбуждение гласных или зв. согласных звуков имитируется с пом. ген-ра импульсов ГИ с частотой повторения, определяемой периодом ОТ. Возбужд-е глухих звуков имитируется шумовым ген-ром ГШ. Вследствие синтезируемого хар-ра возб-ния этот тип вокодера иногда наз-ют вокодером с возбужд-ем ОТ. Как показано на рис.8, декодер реализует ф-цию речеобразующего тракта с пом. блока полосовых фильтров, ур-ни мощности на входах кот. опр-ся ур-нями мощности в соотв. полосах кодера. Т.о. вых. сигналы каждого полосового фильтра в декодере аналогичны вых. сигналам соотв. полосовых фильтров в кодере. Суперпозиция сигналов отдельных полос воссоздает спектр исходного сигнала.

ЛПК-вокодеры

Коэф-ты предсказания, знач-я кот. передаются по каналу связи, исп-ся в кач-ве перем. пар-ров в рекурсивном цифровом фильтре, на вход кот. подаются сигналы возбужд-я SВ. В кач-ве сигналов возбужд-я в ЛПК-вокодере исп-ся также сигналы, кот. имеют место на вых. ген-ров речевого спектра ГРС во всех других типах вокодеров. При воспроизв-нии вокализов. звуков это последовательности импульсов ОТ, а при воспроизв-нии невокализ. звуков – это случ. последовательность импульсов от ген-ра шума. Вместо коэф-тов предсказания в больш-ве вариантов схем ЛПК-вокодеров предусматривается получ-е эквивалентного набора величин, наз. коэф-тами отражения k0. Опыт показывает, что эти параметры менее чувств-ны к квантованию, чем коэф-ты предсказания am. Наборы пар-ров k0 или am преобразуются друг в друга с пом. стандартных рекуррентных соотношений. Структурная схема ЛПК-вокодера в обоих случаях остается одинаковой и имеет следующий вид:

(РИСУНОК)

Ширина полосы фильтров на входе и выходе выбир-ся с учетом исп-мых электроакустич. преобраз-лей. Преобраз-ли АЦП и ЦАП работают на принципах ИКМ. Анализатор сигналов возбужд-я осуществлениет выделение сигналов ОТ и Т-Ш и общ. ур-ня речевого сигнала (огибающей речевого сигнала). В сигнале ошибки e(n) более явно, чем в исх. речевом сигнале S(t) выражены признаки, по кот. выд-ся сигналы возбужд-я. Поэтому устройство выделения сигналов возбужд-я подключено не ко входу, а к выходу анализатора. Ост. узлы вып-ют те же ф-ции, что и в ранее рассмотренных типах вокодеров.

Гомоморфные вокодеры

На основе выч-я дискретного спектра кепстра построен гомоморфный вокодер, в кот. каждые 10-20 мс выч-ся кепстр изолир. или перекрывающихся сегментов сигнала. НЧ часть кепстра умнож-ся на весовую ф-цию и квантуется. Выделение сигналов ОТ и Т-Ш м.б. также осущ-но кепстральным методом. В синтезаторе осуществляется отклик звонких и глухих звуков по кепстру и осуществляется свертка с ф-ции возбужд-я. Вокодер был промоделирован на ЭВМ при 26 пар-рах квантов. с частотой отсчетов от 50 до 100 Гц. При 6-значном коде было достигнуто высокое кач-во речи. Вычисление кепстра сигнала длит-ю 2 сек. заняло около часа машинного времени, поэтому схемотехнич. реализация дан. типа вокодеров нецелесообразна.

Резонасные усилители ↑

Телефоны

Вызывное устройство

Схема ВУ, прим-го в больш-ве ТА, имеет вид:

Выкл-ль SA1 предназначен для выключ-я звонка. Конд-р C1 явля-ся раздел-ным для пост. тока линии. Его сопр-е перем. сигналу вызова сост-ет 12 кОм. Схема предс-ет собой мультивибратор, кот. работает на частоте резонанса пьезоэлектрич. изл-ля BQ1 (≈3500 Гц).

Пьезоэлектрич. изл-ль предс-ет собой металлич. пластину В, на кот. размещен кристалл искусств. пьезоэлектрика. Внеш. пов-ть кристалла металлизирована двумя контактными плос-тями R и G. Если приложить напряжение между пластиной В и плос-тью металлизации R, то кристалл будет деформироваться и тем самым созд-ть звуковые колебания. Упругие колебания в свою очередь генерируют напряжение на гранях кристалла, т.е. на плос-ти металлизации G. ВУ раб-ет след. образом: напряжение положит. полупериода вызывного сигнала через С1 и R1, являющ. коллекторной нагрузкой транз-ра VT1, прикл-ся к обкладкам B и R пьезоэл-ка, что приводит к его деформации и излуч-ю зв. сигнала, усиливаемого металлич. мембраной (обкладкой В). Деформация пьезоэл-ка, вызванная приложенным к обкладкам В и R напряжением, выз-ет появл-е напряж-я на положит. полярности между В и G. Через рез-р R3, ограничивающий ток базы, это напряжение прикладывается к эмиттерному переходу VT1 и открывает его. Открытый транз-р шунтирует обкладки В и R, что приводит к ум-ю на нем напряж-я и, как следствие, к обратной деформации BQ1. Обр. деф-ция выз-ет появл-е напряж-я отриц. полярности между B и G, кот через рез-р R3 запирает транз-р. Закрытый транз-р обл-ет большим сопр-ем, вследствие чего практич-ки все напряжение вызывного сигнала вновь прикладывается к обкладкам B и R пьезоэл-ка и все повторяется. Т.о. на протяжении положит. полупериода вызывного сигнала АТС с f=25 Гц возн-ют колебания с резонансной частотой пьезоэл-ка. Отриц. полупериод вызывного сигнала запирает транз-р и автоколебания прекращаются. Рез-р R2 уст-ет нач. смещ-е на базе VT1. Емкость С1 и сопр-я рез-ров R1-R3. могут меняться, т.к. не оказ-ют сущ-го влияния на работу схемы. При замене транз-ра VT1 на структуру p-n-p, схема будет работать аналогично, но только в отриц. полупериоды вызывного сигнала. Если между цепочкой C1R1 и мультивибратором уст-ть диодный мост, то генератор будет работать в обоих полупериодах вызывного сигнала, что приведет к ув-ю громкости.

ВУ на микросхеме

В отеч. ТА в кач-ве ВУ наиб. часто исп-ся специализ. ИС КР1008ВЖ4, позв. воспроизводить 3 разл. мелодии вызывного сигнала с соотнош-ями частот 5:6, 4:5 и 4:6:5. Напряжение питания сост-ет от 6 до 15 В, а ток потребл-я при этом от 50 до 100 мкА. Доп. значение статич. потенциала сост-ет не более 30 В. Структ. схема данной ИМС имеет вид:

Вывод

Обозначение

Назначение

1

0V

общий вывод

2

RC2

вход подключ-я элементов ТнГ

3

R2

вход подключ-я рез-ра, задающего частоту ТнГ

4

C2

вывод подключ-я конд-ра, задающего частоту ТнГ

5

S

вход управл-я ур-нем громк-ти посылок вызова

6

L2

выход ЗвЧ

7

L1

выход ЗвЧ

8

U

напряжение питания

9

N1

вход програм-я мелодии вызывного сигнала

10

N2

–– “ ––

11

BC

вход разреш-я запуска

12

С1

вход подключ-я конд-ра, задающего частоту ТкГ

13

R1

вход подключ-я рез-ра, задающего частоту ТкГ

14

RC1

вход подключ-я элементов ТкГ

Лог. уровень на входах

Порядок чередов-я коэф-тов

N1

N2

0

0

нач. уст-ка

0

1

20/24

1

0

24/30

1

1

20/24/30

Программируемый делитель частоты имеет 3 фикс. коэф-та деления: 20, 24 и 30. Порядок чередования этих коэф-тов двухразрядного двоичного кода на выводы N1 и N2, а ск-ть чередования уст-ся тактовым генератором ТкГ. Высота звука вызывного сигнала опр-ся опорной частотой тонального генератора ТнГ. Вых. сигнал, форм-мый на выв. L1 и L2 при соотв. схеме вкл-я нагрузки обеспечивает ступенчатое нарастание ур-ня громкости. 1-я посылка – малый уровень, 2-я – средний, 3-я и последующие посылки – максимальный. Такой режим обеспеч-ся благодаря тому, что во время 1-й посылки на выв. L1 и L2 форм-ся синфазные сигналы, во время 2-й сигнал присутствует только на выв. L2 (а на L1 – лог.1) и во время 3-й – противофазные сигналы. Вход S при этом необходимо подкл-ть к нулевой шине питания ИМС. При соед-нии его с положит. шиной, макс. громкость вызывного сигнала будет присутствовать при всех посылках. Данная ИМС обеспеч-ет подавление помех при их длительности не более 250 мс. Сигнал вызова абонента через ограничивающий рез-р R1 и разделяющий конд-р С1 поступает на мост VD1-VD4. Выпрямленный сигнал огр-ся стабилитроном VD6 до 10 В и через диод VD7 поступает на вход питания ИМС. Светодиод VD5 не явл. обяз. элементом схемы и предназначен для оптич. дублирования вызывного сигнала. Наличие напряж-я высокого ур-ня на выводе 11 ИС разрешает запуск ТкГ и ТнГ. Интегрирующая цепь R5C6 в момент прихода 1-го вызывного сигнала форм-ет низкой уровень на выв. 10 ИС, осущ-ляя этим нач. уст-ку микросхемы. По окончании заряда С6 на выв. 9 и 10 ИС уст-ся код, соотв. выбору коэф-тов деления 20 и 24 прогр-го дел-ля частоты, кот. будут изм-ть их с частотой ТкГ (10 Гц), формируя на выв. 6 и 7 два чередующихся сигнала с соотнош-ем частот 5:6. При номиналах, указанных в схеме, опорная частота ТнГ равна 51 кГц. Подключ. к выв. 6 и 7 ИС пьезоэлектрич. изл-ль BQ1 сформ-ет 2-тональный сигнал вызова. По окончании 1-й посылки вызывного сигнала диод VD7 запирается, что предотвращает разряд конд-ра С5, поддерживающего питание ИС до след. посылки. Время между 2-мя послед. посылками вызова сост-ет 4 сек. По окончании вызывного сигнала конд-р С5 разряжается через рез-р R6. Конд-р С2 защ-ет ВУ от имп-ных помех.

Схема «Отбой»

«Отбой» – ф-ция, осущ-щая нач. уст-ку микросхемы номеронабирателя в режим гот-ти к набору, повтору номера или к работе с внутр. памятью ИС. У всех отеч. и зарубеж. схем ИС ЭНН ф-ция «отбой» осуществляется подачей высокого ур-ня напряж-я на вход HS. В соотв-вии с логикой работы ИС схема «отбой» обеспеч-ет поддержание высокого ур-ня на входе HS в дежурном режиме (трубка уложена) и низкого ур-ня в разговорном режиме или при наборе номера. Низкий уровень на входе HS разрешает работу ИС ЭНН, при высоком ур-не на этом входе набор номера невозможен. Сущ-ет 2 осн. разнов-ти схемы «отбой»:

(РИСУНОК)

При двухпозиционном перекл-ле (схема а) схема «отбой» предс-ет собой дел-ль напряж-я, состоящий из 2-х рез-ров. Если перекл-ль SB1 нах-ся в положении «отбой» (нижнее по схеме), к делителю приложено напряжение линии 60 В. При указ. на схеме номиналах рез-ров с делителя на вход HS ИС подается напряжение 2,7 В. Если перекл-ль нах-ся в положении «разговор», то через рез-р R2, соединенный с общей шиной, на вход HS подается низкий уровень. Напряжение на входе HS не должно превышать напряж-я питания ИМС более, чем на 0,6 В, т.к. этот вход соединен с входом питания ИС через встроенный диод, выполняющий ф-цию защиты ИМС от перенапряжения на входе HS. На рис.б приведена схема «отбой» с исп-ем однопозиц. перекл-ля. Когда перекл-ль SB1 разомкнут, т.е. нах-ся в положении «отбой», база транз-ра через рез-р R2 подключена к общей шине, что обеспеч-ет надежное запирание транз-ра. Высокий уровень на входе HS поддерж-ся напряжением питания ИС (≈3 В) через рез-р R3. Когда перекл-ль SB1 замкнут (полож-е «разговор»), ток, задаваемый рез-ром R1, открывает транз-р VT1. Открытый транз-р подключает вход HS ИС к общей шине, обеспечивая на нем низкий уровень, разрешающий работу ИМС. Некорректная схема «отбой», кот. иногда встреч-ся в ТА низкого класса и может стать причиной неправильной работы ТА, имеет вид:

(РИСУНОК)

Схема питания ИС номеронабирателя

Питание ИМС ЭНН осуществляется от линии АТС и обеспеч-ет работу ИС при наборе номера, а также в разговорном режиме. В режиме «отбой» схема питания ИС обеспеч-ет питание ОЗУ микросхемы. Схема питания состоит из двух узлов: внутр. и внеш. Внутр. узел опр-ся структурой постр-я ИС. Он м.б. выполнен как с источником опорного напряж-я (в простейшем случае – внутр. стабилитроном), так и без него. Внеш. узел обеспеч-ет подачу номинального напряж-я на вывод питания ИМС U. Построение схемы внеш. узла как правило опред-ся наличием в ИМС встроенного ист-ка опорного напряж-я. Если в ИС имеется внутр. стабилитрон, то ее питание осуществляется по одной из схем, приведенных на рис. На рис.а питание подается со входа импульсного ключа, на рис.б – с его выхода. Рез-р R1 в обоих случаях задает ток стабилизации встроенного стабилитрона, величина кот. сост-ет от 0,1 до 1 мА в зав-ти от типа ИМС. Конд-р С1 поддерживает питание ИС во время следования импульсов набора номера. Емкость конд-ра д.б. не менее 10 мкФ. Диод VD1 предотвращает разряд конд-ра по другим цепям схемы. Рез-р R1 в схеме а в нек. случаях если его сопротивление менее 68 кОм может служить причиной сбоев при наборе номера из-за его шунтирующего действия при разомкнутой линии (разомк. ИК).

На рис.в приведена схема питания ИС НН совместно со схемой «отбой». Питание на схему подается как со входа, так и с выхода ИК. Это обеспеч-ет более устойчивую работу ИМС за счет того, что снижение тока внутр. стабилитрона ИС через рез-р R3 при замкнутом ИК компенсируется током через меньшее сопротивление ограничивающего рез-ра R4.

Если в ИМС отсут-ет встроенный источник опорного напряж-я, то параллельно конд-ру С1 вкл-ся стабилитрон как показано на рис.г.

(РИСУНОК)

Способ питания ОЗУ ИС зависит от типа исп-мой схемы «отбой». Если она выполнена по рис.а (пред. вопрос), то питание ОЗУ осуществляется через перекл-ль SB1, рез-р R1, и внутр. диод ИС, соединяющий вход HS со входом питания U. При использовании схемы «отбой» по рис.б питание ОЗУ при уложенной на рычаг трубке обеспечивает рез-р сопротивлением порядка 10 МОм, включенный между плюсовым выводом диодного моста и выводом питания ИС, как показано на рис.г.

В схемах питания отеч. ТА часто исп-ся микромощный кремниевый p-канальный МОП стабилитрон КС106А. Рабочий ток стабилитрона задает источник тока на стабилизаторе тока VT1. Он предс-ет собой n-канальный МОП транз-р с изолированным затвором и рез-рами, задающими нач. ток стабилизации. Его структура приведена на рис.е. Режим источника тока уст-ся подстроечным рез-ром R1.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

59491. Виховна година “Перше квітня” 39 KB
  Ісландські саги кажуть що звичай обманювати в день першого квітня введений асами богами в память Скадеї дочки Тіясса. Цей звичай дуже поширений у Данії Швеції Норвегії. Але таке пояснення викликає сумнів бо звичай обманювати в день першого квітня...
59493. Франческо Петрарка – державний діяч, філософ, поет. Загальна характеристика “Книги пісень” 76 KB
  Мета: розкрити учням творчий світ Петрарки у світлі поняття краси як основи світобачення поета розвивати емоційноестетичне сприйняття учнів активізувати роботу всього класу розвивати творчі та аналітичні здібності.
59494. Андріївські вечорниці 62 KB
  От і дівчата вже йдуть. Дівчатавсі: сміх Слава Богу в вашій хаті Дівчина1: Добрий вечір тітонько Чи можна в вашу хату Мати: Слава навіки Заходьте дівчата сідайте Зараз вареників на всіх наліпимо. Може ще гості будутьПорається Галя: Давайте дівчата не роздягайтеся побіжіть до криниці по воду.
59495. Математична вікторина для учнів 10 класів 54.5 KB
  Прилади: карточки з цифрами від 1 до 5 кома Підготовка: За тиждень до конкурса вибрати команди командам дати завдання: підготовитися до конкурсу привітання до конкурсу капітанів підготувати по три запитання. Конкурси Конкурс капітанів...
59496. Родинне свято 68.5 KB
  Пісня Я з’явився на світ із любові та мрії Із щасливих татусевих і маминих снів. Пісня Дорогий хороший рідний тато Кращого від тебе не знайти Дорогий хороший рідний тато Як чудово що у нас є ти...
59497. В світі усе починається з мами 44 KB
  – Хто вас діти щиро любить Хто вас ніжно так голубить Як ви хворі цілі ночі Не стуляє свої очі. 1ша гра називається Що любить ваша дитина. Чи любить ваша дитина вставати рано Чи застеляє постіль Чи любить їсти манну кашу Чи любить читати книжки...
59498. День народження – це радість і розвага для малят (дошкільний заклад) 48 KB
  А діти такі красиві та чепурні. Діти обходять коло і сідають на ці стільчики. Діти виконують таночок Побачення. Діти читають вірші.
59499. Урок з патріотизму: Прийди до серця, Україно, благослови добром мене... 113 KB
  Мені каже Дніпро: Україно то я І Карпати високі здаля Все шепочуть: У горах матуся твоя Невмируща Вкраїнська земля Шепчуть гори здаля: Невмируща Вкраїнська земля І зірки в далині то Вкраїни вогні То все ти то все ти Струни кобзи бринять...