Передача радиосигнала

 

Оглавление

Передача  радиосигнала 3

Усилитель радиосигнала. 5

Виды радиосигналов. 7

Радиопередача 9

Распространение радиоволн 12

Список источников 15

 

 

 

Передача радиосигнала

Радиосигнал – электромагнитное излучение, создаваемое каким-либо радиопередатчиком.

Передача происходит следующим  образом: на передающей стороне (в радиопередатчике) формируются высокочастотные колебания (несущий сигнал) определенной частоты. На него накладывается сигнал, который нужно передать (звука, изображения и т. д.) — происходит модуляция несущей полезным сигналом. Сформированный таким образом высокочастотный сигнал излучается антенной в пространство в виде радиоволн. На приёмной стороне радиоволны наводят модулированный сигнал в приемной антенне, он поступает в радиоприёмник. Здесь система фильтров выделяет из множества наведенных в антенне токов от разных передатчиков сигнал с нужной несущей частотой, а детектор выделяет из него модулирующий полезный сигнал.

Получаемый сигнал может  несколько отличаться от передаваемого передатчиком вследствие влияния разнообразных помех. Радиоволны распространяются в пустоте и в атмосфере; земная твердь и вода для них непрозрачны. Однако, благодаря эффектам дифракции и отражения, возможна связь между точками земной поверхности, не имеющими прямой видимости (в частности, находящимися на большом расстоянии).

Распространение радиоволн от источника  к приёмнику может происходить  несколькими путями одновременно. Такое  распространение называется многолучёвостью. Вследствие многолучёвости и изменений параметров среды, возникают замирания (англ. fading) — изменение уровня принимаемого сигнала во времени. При многолучёвости изменение уровня сигнала происходит вследствие интерференции, то есть в точке приёма электромагнитное поле представляет собой сумму смещённых во времени радиоволн диапазона.

Радиосигналы, на которых основывается, в частности спутниковая связь  и другие типы связи,  представляют собой электромагнитные волны. Система связи использует различные виды радиосигналов для передачи информации через воздушную среду от одной точки к другой.

Радиосигнал распространяется от антенны  передающей станции к антенне  приемной. Передача радиосигнала осуществляется благодаря нескольким факторам. Сигнал, подаваемый на антенну, характеризуется амплитудой, частотой и фазой. За счет изменения этих параметров можно посредством радиосигналов передавать информацию.

Амплитуда определяет интенсивность  радиочастотного сигнала. Мерой  амплитуды является мощность, которая  аналогична затраченным усилиям  человека, преодолевающего на велосипеде определенное расстояние. Мощность —  это количество энергии, необходимой  для преодоления сигналом определенного  расстояния. Если мощность возрастает, то увеличивается и дальность  связи. 

Передача радиосигнала происходит через воздушную среду, что обусловливает уменьшение его амплитуды. В случае отсутствия препятствий радиосигналы испытывают потери в свободном пространстве, они являются одной из причин затухания сигнала, и передача радиосигнала теряет прежнее качество. Амплитуда сигнала уменьшается экспоненциально по мере увеличения расстояния между передатчиком и приемником. Экспоненциальное затухание модулированного сигнала вызывает атмосфера, если он распространяется достаточно далеко от антенны. Следовательно, сигнал должен обладать достаточной мощностью для того, чтобы преодолеть нужное расстояние и иметь после этого уровень, достаточный для выделения его из шумов приемным устройством.

 

 

 

Усилитель радиосигнала.

Способность приемника улавливать сигнал зависит и от наличия других радиочастотных сигналов. Иными словами, для повышения качества передачи сигнала необходим усилитель  радиосигнала. Функция усилителя  заключается в увеличении мощности радиостанции, подводимой к внешней  антенне, без искажений в самой  структуре сигнала. Усилитель радиосигнала вносит изменения в характеристику аппаратуры только при работе на передачу. Чувствительность радиостанции ограничена не усилением, а уровнем шумов (как собственных, так и эфирных), т.е. способностью выделять полезный сигнал на фоне помех. Усилитель радиосигнала включается в разрыв антенного кабеля, т.е. между радиостанцией и внешней антенной и подключается толстыми проводами к мощному источнику питания. Длина высокочастотного коаксиального кабеля, соединяющего радиостанцию и усилитель, может быть любая, а качеству заделки разъемов на его конце и на конце антенного кабеля стоит уделить особое внимание. Специалисты рекомендуют применять усилитель радиосигнала с выходной мощностью 100 - 200 Ватт. В этом случае можно ожидать увеличения дальности связи, при меньшей мощности. Антенна, подключенная к усилителю, должна быть хорошо настроена (иметь КСВ близкий к 1) и содержаться в порядке, тогда можно будет не опасаться за дальнейшее состояние усилителя.

Задумываясь о том, чтобы приобрести усилитель радиосигнала, стоит обратить внимание на такую характеристику, как фаза. Фаза соответствует тому, насколько далеко сигнал отстоит от какой-то исходной точки. Традиционно принято считать, что каждый цикл сигнала соответствует повороту фазы на 360 градусов. Например, сдвиг фазы сигнала может составлять 90 градусов, это означает, что сдвиг фазы равен четверти (90/360 = 1/4) от полного цикла сигнала. Изменение фазы может быть использовано для передачи информации. Так, сдвиг фазы сигнала на 30 градусов можно представить как двоичную 1, а сдвиг фазы на 60 градусов — как двоичный 0. Важным преимуществом представления данных в виде сдвигов фазы является снижение влияния затухания сигнала при его распространении через среду. Затухание обычно влияет на амплитуду, а не на фазу сигнала.

 

Виды радиосигналов.

Наиболее продуктивной областью применения радиосигналов является навигация. Принцип работы спутниковой системы строится как раз на таком механизме. В рамках спутниковой системы различаются различные виды радиосигналов. Так, например, в системе ГЛОНАСС каждый штатный НКА в ОГ постоянно излучает шумоподобные непрерывные навигационные радиосигналы в двух диапазонах частот 1600 МГц и 1250 МГц. В НАП навигационные измерения в двух диапазонах частот позволяют исключить ионосферные погрешности измерений.

Каждый НКА имеет цезиевый АСЧ, используемый для формирования бортовой шкалы (БШВ) и навигационных радиосигналов 1600 МГц и 1250 МГц. Такие виды радиосигналов, как шумоподобные навигационные сигналы в ОГ НКА различаются несущими частотами. Поскольку для взаимноантиподных НКА в орбитальных плоскостях можно применять одинаковые несущие частоты, то для 24 штатных НКА минимально необходимое число несущих частот в каждом диапазоне частот равно 12. Из двух взаимноантиподных НКА хотя бы один будет находиться ниже местного горизонта по отношению к космическому потребителю. Практически невозможно применить на космическом объекте одну широконаправленную антенну, способную принимать навигационные радиосигналы от всех «видимых» НКА выше и ниже местного горизонта. Поэтому в НАП на космическом объекте применяют: либо одну широконаправленную антенну для приема навигационных радиосигналов от НКА, находящихся выше местного горизонта; либо несколько антенн и несколько приемников для приема навигационных радиосигналов от НКА, находящихся выше и ниже местного горизонта. В обоих вариантах НАП на космическом объекте будет осуществлять эффективную пространственную селекцию навигационных радиосигналов от взаимноантиподных НКА. 

Виды радиосигналов навигационной системы взаимноантиподных НКА с одинаковыми несущими частотами будут надежно разделены в НАП на космическом объекте за счет пространственной и доплеровской селекции.

Рассмотрим ещё некоторые виды радиосигналов - узкополосный и широкополосный. Узкополосный навигационный радиосигнал 1600 МГц образуется посредством манипуляции фазы несущего колебания на 180? периодической двоичной псевдослучайной последовательностью (ПСП1) с тактовой частотой. Путем инвертирования ПСП1 передаются метки времени (МВ) бортовой шкалы времени (БШВ) НКА и двоичные символы цифровой информации (ЦИ). 

Широкополосный навигационный  радиосигнал 1600 МГц образуется посредством  манипуляции фазы несущего колебания  на 180? периодической двоичной последовательностью  ПСП2 с тактовой частотой F2=5,11 МГц. Путем  инвертирования ПСП2 передаются двоичные символы ЦИ длительностью 20 мс.

 

Радиопередача

Если сложное техническое  оснащение радиовещательной станции  изобразить упрощенно в виде условных знаков и прямоугольников, то получится  ее структурная схема в таком  виде, как показано на рис. 2. Здесь  пять основных приборов и устройств: студийный микрофон, усилитель звуковой частоты (3Ч), генератор колебаний радиочастоты (РЧ), усилитель мощности колебаний радиочастоты и антенна, излучающая электромагнитную энергию радиоволн. Пока студийный микрофон не включен, в антенне станции течет ток высокой (несущей), но строго постоянной частоты и амплитуды (см. левые части графиков на рис. 3). Антенна при этом излучает радиоволны неизменной длины и мощности. Но вот в студии включили микрофон, и люди, находящиеся за десятки, сотни и тысячи километров от радиостанции, услышали знакомый голос диктора. 

 

Рис. 2 Структурная схема  радиовещательной станции.

 

Рис. 3 При действии звука  на микрофон ток высокой частоты  в антенне передатчика изменяется по амплитуде.

Что же в это время происходит в передатчике радиостанции? Колебания  звуковой частоты, созданные микрофоном и усиленные студийным усилителем 3Ч, подают на так называемый модулятор, входящий в усилитель мощности передатчика, и там, воздействуя на ток высокой  частоты генератора, изменяют его  амплитуду колебаний. От этого изменяется излучаемая антенной передатчика электромагнитная энергия (см. правые части графиков на рис. 3). Чем больше частота тока, поступающего из радиостудии в передатчик, тем с большей частотой изменяются амплитуды тока в антенне. Так  звук, преобразованный микрофоном в  электрические колебания звуковой частоты, получает «путевку» в эфир.  

Процесс изменения амплитуд высокочастотных колебаний под  действием тока звуковой частоты  называют амплитудной модуляцией (AM). Изменяемые же по амплитуде токи высокой  частоты в антенне и излучаемые ею радиоволны носят название модулированных колебаний радиочастоты. Кроме амплитудной  модуляции существует еще так  называемая частотная модуляция (ЧМ). При таком виде модуляции изменяется частота, а амплитуда колебаний  радиочастоты в антенне радиостанции остается неизменной. Частотную модуляцию применяют, например, для передачи звукового сопровождения в телевидении, в радиовещании на УКВ.

 В радиовещании на  ДВ, СВ и KB используют только  амплитудную модуляцию. Радиоволны  не могут быть обнаружены ни  одним органом наших чувств. Но  если на их пути встречается  проводник, они отдают ему часть  своей энергии. На этом явлении  и основан прием радиопередач. Улавливание энергии радиоволн  приемником осуществляет антенна  радиоприемника. Отдавая антенне  часть электромагнитной энергии,  радиоволны индуцируют в ней  модулированные колебания радиочастоты. В приемнике имеют место процессы, обратные тем, которые происходят  в студии и на передатчике  радиостанции. Если там звук последовательно  преобразуют сначала в электрические  колебания звуковой частоты, а  затем в модулированные колебания радиочастоты, то при радиоприеме решается обратная задача: модулированные колебания радиочастоты, возбужденные в антенне, приемник преобразует в электрические колебания звуковой частоты, а затем в звук.

В простейшем приемнике, работающем только благодаря энергии, уловленной антенной, модулированные колебания  радиочастоты преобразуются в колебания  звуковой частоты детектором, а эти  колебания в звук - головными телефонами. Но ведь антенну приемника пронизывают  радиоволны множества радиостанций, возбуждая в ней модулированные колебания самых различных радиочастот. И если все эти радиосигналы преобразовать  в звуки, то мы услышали бы сотни  голосов людей, разговаривающих  на разных языках. Вряд ли такой радиоприем нас устроил. Разумеется, интересно  послушать передачи разных станций, но только, конечно, не все одновременно, а каждую в отдельности. А для  этого из колебаний всех частот, возбуждающихся в антенне, надо выделить колебания с частотой той радиостанции, передачи которой хотим слушать. Эту задачу выполняет колебательный контур, являющийся обязательной частью как самого простого так и самого сложного радиовещательного приемника. Именно с помощью колебательного контура вы будете настраивать свой первый приемник на сигналы радиостанций разной длины волны.

Распространение радиоволн

Сейчас рассмотрим некоторые  особенности распространения радиоволн. Дело в том, что радиоволны разных диапазонов обладают неодинаковыми  свойствами, влияющими на дальность  их распространения. Волны одной  длины преодолевают большие расстояния, волны другой длины «теряются» за пределами горизонта. Бывает так, что  радиосигнал превосходно слышен где - то по ту сторону Земли или  в Космосе, но его невозможно обнаружить в нескольких десятках километров от радиостанции. Чем это объяснить? Что влияет на «дальнобойность» радиоволн  разной длины? Земля и окружающая ее атмосфера. Земля - проводник тока, хотя и не такой хороший, как, скажем медные провода. Земная атмосфера состоит из трех слоев. Первый слой, верхняя граница которого кончается в 10 - 12 км от поверхности Земли, называется тропосферой. Над ней километров до 50 от поверхности Земли, второй слой - стратосфера. А выше, примерно до 400 км над Землей, простирается третий слой ионосфера (рис. 4). Ионосфера играет решающую роль в распространении радиоволн, особенно коротких. 

 

Рис. 4 Распространение радиоволн.

Воздух в ионосфере  сильно разрежен. Под действием солнечных  излучений там из атомов газов  выделяется много свободных электронов, в результате чего появляются положительные  ионы. Происходит, как говорят, ионизация  верхнего слоя атмосферы. Ионизированный слой способен поглощать радиоволны и искривлять их путь. В течение  суток в зависимости от интенсивности  солнечного излучения количество свободных  электронов в ионизированном слое, его толщина и высота изменяются, а от этого изменяются и электрические  свойства этого слоя.