Взаимодействие основных устройств радиотехнической системы

Основными устройствами большинства РТС являются передатчик и приемник. Задача выделения полезной информации, которую доставляет радиосигнал, усложняется наличием на входе приемника радиосистемы естественных или искусственно создаваемых помех. По своему происхождению помехи могут быть в виде атмосферного или космического шума, собственных (внутренних) шумов приемника, помеховых воздействий от других работающих систем, в виде отражений от местных предметов и т.д. Такие помехи накладываются на полезный сигнал и поэтому их называют аддитивными (от addition – добавление, сложение). Другой вид помех обусловлен тем, что параметры полезного сигнала могут флуктуировать из–за неоднородности среды, в которой распространяются радиосигналы, из–за случайных изменений параметров преобразующих устройств аппаратурной части системы и т.д. Такие помехи называют мультипликативными (от multiplication – умножение). Помехи маскируют полезный сигнал, вызывают его искажения, могут привести к его пропуску при приеме или к образованию ложного сигнала. Эти обстоятельства необходимо учитывать при разработке и эксплуатации РТС.

Взаимодействие основных устройств радиотехнической системы, среды распространения электромагнитной энергии и источников помеховых воздействий удобно представить в виде обобщенной структурной схемы, приведенной на рис.1.16 [4].

Передающий канал аппаратурной части радиосистемы АЧ РТС включает в себя преобразователь информации ПИ, поступающей от источника информации ИИ, кодирующее устройство КУ (кодер), модулятор М, генератор высокой частоты ГВЧ и передающую антенну А_ПРД, которая излучает радиосигналы S _ИЗЛ. Приемный канал состоит из приемной антенны А_ПРМ, принимающей отраженные (или ответные) сигналы S _ОТР, супергетеродинного приемника ПРМ, в котором происходит преобразование частоты и основное усиление принятых сигналов, демодулятора ДМ, декодирующего устройства ДКУ и обратного преобразователя информации ОПИ.

Рис.1.16. Обобщенная структурная схема РТС

Тип и построение ОПИ зависит от вида входного сигнала, а также от вида потребителя информации ПтИ. Если потребителем информации является оператор (член экипажа, диспетчер и т.п.), то в качестве ОПИ применяют акустические или оптические преобразователи с различными видами индикации. При использовании полученной информации вычислительным комплексом ОПИ представляет собой преобразователь выходных сигналов приемника в вид, удобный для использования в ЭВМ. Временнyю координацию работы отдельных устройств системы осуществляет синхронизатор С. Часто в системах, в которых передатчик и приемник находятся в одном месте, кодер и декодер, а также модулятор и демодулятор объединяют в устройства, называемые кодеком и модемом. Объектами взаимодействия ОВ могут быть объекты, отражающие радиосигналы, активные ответчики, радиомаяки, ретрансляторы, другие абоненты и т.п.

Помеховые воздействия, которым сигналы, несущие информацию, подвергаются в аппаратурной части системы, учтены обобщеным структурным элементом ИВП – источником внутренних помех. Искажения информации, обусловленные средой распространения сигналов (СРС), показаны в схеме элементами: ИАП – источник активных помех S _АП, ИПП – источник пассивных помех S _ПП. Кроме того, на вход приемного канала могут также проникать сигналы собственного передатчика S _ИЗЛ.

Некоторые РТС системы могут содержать другие принципиально необходимые устройства, помимо приведенных в схеме, и наоборот, часть рассмотренных элементов может отсутствовать. Например, в системах с импульсным излучением и в системах, использующих симплексный режим радиосвязи, важным элементом является антенный переключатель АП, с помощью которого осуществляется временнaя развязка между работой передающего и приемного каналов. Кроме того, АП позволяет использовать одну антенну и в режиме излучения и в режиме приема радиосигналов. Это значительно сокращает массогабаритные характеристики аппаратуры и упрощает размещение ее на объектах. Другим примером могут служить радионавигационные пеленгаторы, которые работают по сигналам радиомаяков и у них отсутствует передающий канал, а во многих системах радиолокации отсутствуют кодирующие и декодирующие устройства.

Известно, что антенна эффективно излучает только в том случае, когда длина волны подводимых к ней колебаний соизмерима с геометрическими размерами антенны. Поэтому одной из основных задач передатчика является создание колебаний высокой частоты с помощью задающего автогенератора. Сформированные в передатчике радиосигналы через фидерный тракт поступают в антенну и излучаются в пространство в виде электромагнитных волн.

Основными параметрами, характеризующими передатчик, являются несущая частота (длина волны) или диапазон несущих частот (длин волн), уровень выходной мощности, коэффициент полезного действия, стабильность частоты несущих колебаний. Выходная мощность это мощность высокочастотных колебаний передатчика, направляемых в антенну. Она может быть от долей ватта до десятков мегаватт. У передатчиков, работающих в импульсном режиме, различают мощность в импульсе и среднюю мощность за период повторения импульсов. Импульсная мощность, как правило, превышает среднюю мощность в сотни и тысячи раз.

Коэффициент полезного действия передатчика η равен отношению мощности, отданной в антенну Р_П, к мощности, потребляемой передатчиком от источников питания Р_ИП.

η = Р_П / Р_ИП. (1.14)

Стабильность частоты несущих колебаний определяет допустимые отклонения частоты передатчика за определенное время его работы в конкретных условиях при неблагоприятном воздействии окружающей среды (изменение температуры, влажности, атмосферного давления и т.п.), изменения условий эксплуатации, при механических воздействиях (вибрации ударные нагрузки и т.п.), изменения режимов источников питания. Кроме того, в случаях, когда ГВЧ передатчика непосредственно связан с передающей антенной, влияние на частоту его колебаний оказывают условия согласования выхода передатчика с антенно-фидерным трактом. Особенно сильно это влияние проявляется при сканировании антенны, при котором изменяется реактивная нагрузка на ГВЧ и, как следствие, изменение частоты генерируемых колебаний. Существенное влияние оказывает обтекатель антенны, от которого отражается часть излучаемой энергии, причем это влияние проявляется по-разному при различных положениях сканирующей антенны.

Количественно оценку стабильности частоты определяют коэффициентом относительной нестабильности δf, равным отношению максимально допустимого отклонения несущей частоты Δ f_П к ее номинальному значению f₀.

δf = Δ f_П / f₀. (1.15)

Чем выше стабильность частоты передатчика, тем меньше коэффициент относительной нестабильности.

Передатчики, в зависимости от назначения, могут быть выполнены по однокаскадной или многокаскадной схеме [3]. Однокаскадное построение передатчиков (рис.1.17) применяют, например, в РЛС, в которых в качестве генераторов, формирующих несущие колебания, используют мощные СВЧ генераторы, работающие в импульсном режиме излучения. В этой схеме синхронизатор С, определяющий период следования излучаемых импульсов, запускает формирователь модулирующих сигналов ФМС, который формирует видеоимпульсы необходимой амплитуды и длительности. Эти импульсы возбуждают генератор высокой частоты ГВЧ, вырабатывающий радиоимпульсы такой же длительности. Передающая антенна А_ПРД преобразует высокочастотные сигналы ГВЧ в электромагнитную волну, распространяющуюся в пространстве.

Рис.1.17. Структурная схема однокаскадного ПРД

 

Достоинством однокаскадной схемы является ее простота. К недостаткам следует отнести сравнительно низкую стабильность частоты генерируемых колебаний.

Структурная схема многокаскадного передатчика приведена на рис. 1.18. Маломощный задающий генератор ЗГ с кварцевой стабилизацией формирует колебания несущей частоты. Малая мощность позволяет обеспечить облегченный тепловой режим автогенератора, что повышает стабильность его частоты.

Рис.1.18. Структурная схема многокаскадного ПРД

 

С этой же целью в схему передатчика часто включают буферный каскад БК, защищающий генератор от влияния последующих каскадов. Кроме того, малая мощность автогенератора позволяет использовать при его разработке более высокочастотные полупроводниковые приборы, обладающие малой инерционностью.

Частота кварцевых автогенераторов обычно не превышает 100 МГц [4]. Поэтому при частоте передатчика больше данного значения в схему включают умножители частоты УЧ, повышающие частоту сигнала в необходимое число раз.

В многочастотных передатчиках (например, в бортовых станциях радиосвязи) в качестве задающего генератора используют синтезаторы частот, позволяющие мгновенно формировать несущие колебания на многих частотах заданного диапазона. Однако требование высокой стабильности частоты и возможности ее быстрой перестройки часто являются несовместимыми. Поэтому в синтезаторах частоты осуществляют дискретное перекрытие частотного диапазона, при котором производится генерирование сигналов на любой из множества фиксированных частот, следующих друг за другом с определенным интервалом, шагом частотной сетки.

В модуляторе М осуществляется модуляция несущих колебаний, т.е. осуществляется изменение какого-либо параметра сигнала (амплитуды, частоты, фазы, длительности) по закону, определяемому формирователем модулирующих сигналов ФМС.

Для создания требуемой выходной мощности передатчика используют линейку усилителей мощности в виде предварительных ПУМ и оконечного ОУМ усилителей. Далее высокочастотный сигнал поступает на передающую антенну А_ПРД и излучается в пространство в виде электромагнитной волны.

По виду излучения передатчики разделяют на работающие в импульсном и непрерывном режимах. Как говорилось выше, важным преимуществом импульсного режима является возможность осуществления временной развязки между излучением и приемом радиосигналов, что позволяет использовать одну и ту же антенну в передающем и приемном каналах.

Рассмотрим приемный канал. Приемная антенна извлекает из окружающего пространства очень небольшую часть энергии приходящих радиоволн, преобразует электромагнитную энергию волны в высокочастотный электрический сигнал и направляет его в радиоприемник. В приемнике осуществляется выделение информационной составляющей принятого сигнала и преобразование ее к такому виду, который необходим для работы оконечного устройства.

К основным характеристикам радиоприемного устройства относят: чувствительность, избирательность, диапазон рабочих частот (длин волн), динамический диапазон входных сигналов, стабильность и устойчивость работы.

Под чувствительностью понимают способность радиоприемника принимать слабые сигналы. Количественно чувствительность определяют минимально необходимой мощностью сигнала на входе приемника, при которой обеспечивается нормальное функционирование оконечного устройства при заданном отношении мощности сигнала к мощности помех на выходе приемника.

Избирательностью называют способность радиоприемного устройства выделять полезную информационную составляющую принятого сигнала и ослаблять действие помеховых сигналов с помощью различных видов избирательности: частотной, временнoй, пространственной, поляризационной.

Частотная избирательность реализуется с помощью резонансных цепей и фильтров и определяется крутизной скатов амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) этих устройств. Чем больше крутизна скатов АЧХ S _ск, т.е. чем ближе характеристика к прямоугольной, тем лучше частотная избирательность (рис.1.19).

Рис.1.19. Нормированная АЧХ с различной

крутизной скатов S_ск1> S_ск2> S_ск3

Временнyю избирательность применяют при приеме импульсных сигналов, когда момент их появления на входе приемника известен. В этом случае приемник открывается только на время действия импульсного сигнала. Остальное время приемник закрыт, что уменьшает воздействие помех (рис.1.20).

Рис.1.20. Временная избирательность стробом ПРМ

Пространственную избирательность осуществляют с помощью направленных антенн. Поляризационную избирательность используют, если имеются различия в поляризации электромагнитных волн полезных и помеховых сигналов. Приемную антенну в этом случае настраивают на вид поляризации полезного для данной системы сигнала.

Динамический диапазон определяет уровни входного сигнала, при которых обеспечивается нормальное качество приема. Минимальный входной сигнал ограничивается уровнем собственных шумов приемника, т.е. его чувствительностью. Максимальный уровень определяется допустимыми нелинейными искажениями в усилительных и преобразовательных каскадах приемника.

Таким образом, динамический диапазон характеризует пределы изменения уровня входных сигналов, в которых обеспечивается линейность переходных характеристик отдельных устройств приемника.

Однако имеется множество причин, из-за которых уровень входных сигналов может очень сильно изменяться в процессе работы приемника. Это изменение расстояния между источником излучения и приемником, изменение условий распространения радиоволн, интерференция радиоволн, пришедших в точку приема по различным путям, перестройка приемника на другой источник сигнала, изменение взаимонаправленности передающей и приемной антенн, флуктуации эффективной отражающей поверхности объекта взаимодействия и т.д.

Изменение напряжения сигнала на входе реального приемника может достигать 100 дБ и более. Выходное напряжение при этом не должно изменяться более чем на 6 - 9 дБ.

Расширение динамического диапазона осуществляют с помощью автоматической регулировки усиления АРУ и применения логарифмических усилителей. АРУ подключают к выходу УПЧ приемника. Напряжение с выхода УПЧ поступает на детектор АРУ, а затем через усилитель (если необходимо дополнительное усиление) и фильтр АРУ – на регулируемые каскады приемника, изменяя их усиление (рис.1.21). Фильтр АРУ пропускает на регулируемые каскады «постоянную» составляющую продетектированного напряжения, соответствующую медленным изменениям среднего уровня входного сигнала. Это напряжение является управляющим сигналом, под действием которого усиление приемника изменяется в нужную сторону. В то же время фильтр АРУ препятствует прохождению на регулируемые каскады низкочастотной составляющей продетектированного напряжения, соответствующей полезным модуляционным изменениям сигнала; в противном случае глубина полезной модуляции сигнала будет уменьшаться.

Рис.1.21. Схема АРУ приемника

Система АРУ на рис. 1.21 представляет собой пример системы автоматического управления, в которой регулирование осуществляется по выходной величине (система с обратной связью). Объектом управления являются здесь регулируемые каскады приемника, а в состав регулятора входят безынерционные звенья – линейный усилитель АРУ и детектор АРУ – и инерционное звено – фильтр АРУ. Система АРУ особенна тем, что является системой с параметрической обратной связью, так как входное напряжение и напряжение обратной связи связаны через переменный параметр – коэффициент усиления. В зависимости от вида входного напряжения меняется закон изменения параметра, а, следовательно, и вид уравнения, описывающего работу замкнутой системы АРУ. Таким образом, переходные процессы в системе АРУ и устойчивость ее работы определяются не только параметрами схемы, но и характером входного сигнала, т.е. его величиной и формой. Напомним, что устойчивость обычных усилителей с обратной связью и переходные процессы в них определяются только параметрами схемы.

Чаще всего изменяют смещение в УВЧ и первых каскадах УПЧ. Таким образом, система АРУ уменьшает усиление ряда каскадов одновременно с увеличением амплитуды принимаемых колебаний. В результате этого увеличение входного напряжения приемника в тысячи раз приводит к росту выходного напряжения в 2 – 3 раза.

Приемник с ЛАХ обеспечивает практически безынерционную нормировку входных сигналов, не теряет чувствительности после прихода сильных сигналов и имеет собственные шумы, незначительно превышающие шумы обычного приемника. Недостатками усилителей с ЛАХ являются: зависимость времени задержки сигнала от его амплитуды на входе усилителя; зависимость полосы пропускания от уровня входных сигналов; расширение спектра флюктуаций сигналов пассивных помех.

Рис.1.22. Логарифмическая амплитудная характеристика УПЧ

U _{вх н} − начало логарифмического участка ЛАХ; U _{вх к} − верхняя граница логарифмического участка, которая определяется максимальной амплитудой флюктуаций мешающих колебаний

 

Контрольные вопросы

1. Что представляют собой информационные параметры сообщений?

2. Какие параметры радиосигнала определяют его объем?

3. Назовите основные принципы согласования информационной системы с параметрами радиосигналов.

4. Какие виды помех воздействуют на радиосигналы в каналах связи?

5. Объясните обобщенную структурную схему РТС.

6. В чем заключается основное назначение передатчика РТС?

7. Перечислите основные параметры передающего устройства.

8. Дайте определение основным параметрам радиоприемных устройств.

9. Дайте определение информационной емкости системы.

10. Частотная избирательность ПРМ?

11. Временная избирательность ПРМ?

12. Дайте объяснение работе АРУ

13. Пояснить схему многокаскадного ПРД