Структурная схема передатчика. Разработка структурных схем и алгоритмов функционирования сспи

Передающее устройство первичной РЛС в значительной степени определяет ее тактико-технические характеристики и стоимость с учетом затрат на эксплуатацию. В современных импульсных РЛС применяются передатчики, выполненные по одно- или многокаскадной схеме. В однокаскадном передатчике роль оконечного каскада и одновременно возбудителя чаще всего выполняет магнетрон. Такие передатчики обычно имеют:

· небольшие габаритные размеры и массу,

· большой коэффициент полезного действия,

· невысокую стабильность частоты и фазы генерируемых колебаний (параметры колебаний существенно зависят от режима работы магнетрона и параметров его нагрузки).

Необходимость применения в РЛС цифровых систем СДЦ с высоким коэффициентом подавления помех от местных предметов приводит к высоким требованиям к фазовой стабильности колебаний зондирующего сигнала. В связи с этим магнетронные передатчики в настоящее время находят ограниченное применение в РЛС АС УВД.

Основной схемой передающего устройства перспективной РЛС АС УВД является многокаскадная:

· задающий генератор,

· умножители частоты,

· усилители мощности,

· выходной усилитель мощности.

Достоинство:

· высокая стабильность частоты и фазы генерируемых колебаний,

· истинно-когерентный метод селекции движущихся целей.

Недостаток:

· большие габариты и масса,

· невысокий КПД.

В качестве усилителей мощности в этих передатчиках чаще всего используются пролетные клистроны.

Передающая аппаратура двухчастотной импульсной РЛС содержит два передающих устройства - передатчики, которые отличаются друг от друга несущей частотой генерируемых сигналов. Каждый передатчик, выполненный по многокаскадной схеме, предназначен для генерирования последовательности радиоимпульсов высокой частоты, излучаемых антенной РЛС, а также для формирования вспомогательных колебаний:

· сигнала гетеродинной частоты, необходимого для работы преобразователя частоты приемника,

· сигнала опорной промежуточной частоты, необходимого для работы фазового детектора в системе СДЦ.

Если в приемном тракте используется малошумящий параметрический усилитель, то в схеме передатчика формируется еще один вспомогательный сигнал - сигнал накачки для этого усилителя. Структурная схема одного из передающих устройств РЛС показана на рис. 1.5.

Рассмотрим принцип действия передающего устройства. Задающий генератор генерирует три сигнала:

· сигнал гетеродинной частоты в виде непрерывных колебаний с частотой F г,

· сигнал опорной промежуточной частоты в виде непрерывных колебаний с частотой F ПР =35 МГц,

· импульсно-модулированный сигнал промежуточной частоты в виде последовательности радиоимпульсов с несущей частотой F ПР, длительностью 7 мкс и частотой повторения зондирующих импульсов РЛС.

Рис. 1.5. Структурная схема передающего устройства двухчастотной РЛС (один частотный канал)

В усилительных каскадах СУУ и оконечном усилителе мощности ОУ используются многорезонаторные пролетные клистроны, работающие в импульсном режиме. Это достигается за счет подачи на катоды клистронов импульсов отрицательной полярности. Сигналы запуска импульсного модулятора в схеме СУУ формируются в подмодуляторе передатчика. Импульсы модуляции длительностью 3,3 мкс для оконечного усилителя формируются мощным импульсным модулятором М, который питается от источника высокого напряжения ИВН и выполнен на основе тиратронов. Импульсы поджига тиратронов вырабатываются подмодулятором, имеют амплитуду 800 В и длительность 4 мкс.

На выходе оконечного усилителя формируется последовательность радиоимпульсов длительностью 3,3 мкс при средней- мощности сигнала 3,6 кВт, которая передается в антенно-фидерную систему радиолокационной станции.

Электрические соединения высокочастотных узлов передатчика выполнены в виде коаксиального высокочастотного тракта, обеспечивающего распределение мощности генерируемых колебаний и вывод небольшой части мощности для контроля работоспособности и регулировки передатчика. Для обеспечения необходимого теплового режима мощного клистрона ОУ применяется система жидкостного охлаждения.

Основные технические характеристики передатчика

· Рабочая длина волны генерируемых колебаний, см....................................................... 23

· Средняя выходная мощность генерируемых колебаний, кВт, не менее 3,6

· Длительность радиоимпульса, мкс 3,3 ± 0,3

· Частота повторения импульсов, Гц.... ~ 333

· Мощность сигнала частоты гетеродина, мВт, не менее........................................................... 60

· Напряжение сигнала опорной промежуточной частоты (на нагрузке 75 Ом), В, не менее 1

Рассмотрим работу основных устройств передающего тракта РЛС.

Задающий генератор имеет два независимых канала. Первый канал формирует колебания гетеродинной частоты и состоит:

· из кварцевого генератора КГ1,

· трех умножителей частоты Умн с общим коэффициентом умножения 12,

· одного усилителя напряжения,

· трех усилителей мощности.

Усилители напряжения и мощности включаются между КГ1 и каскадами умножения частоты, выполняй при этом функции буферных каскадов.

К выходу последнего умножителя частоты последовательно подключены проходная детекторная головка для контроля сигнала гетеродинной частоты и выходной фильтр для подавления составляющих этого сигнала с комбинационными частотами. Детекторная головка и фильтр конструктивно являются элементами коаксиального ВЧ тракта передатчика.

Упрощенная структурная схема радиопередатчика состоит из преобразователя частоты, полосового фильтра и выходного усилителя (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 Упрощенная структурная схема радиопередатчика

На вход радиопередающего устройства поступает модулированный сигнал. В современных системах связи модуляция проводится на стандартной промежуточной частоте. К примеру, в системах связи, работающих в диапазонах СВЧ, промежуточная частота может быть 70, 140 или 820 МГц (существуют и другие стандарты). Задачей радиопередающего устройства, в таких случаях, является преобразование сигнала промежуточной частоты в рабочий диапазон частот и доведение мощности сигнала до необходимого уровня.

Преобразователь частоты состоит из смесителя и задающего генератора. Смеситель представляет собой нелинейный элемент, который смешивает частоты сигналов, поступающих на него и выдает на выходе две полосы частот - суммарные и разностные (в данном случае сумму и разность промежуточной частоты и частоты задающего генератора).

Полосовой фильтр выделяет одну из полос частот.

Для работы преобразователя частоты необходимы высокостабильные генераторы. Любой генератор состоит из усилителя и цепей обратной связи (рисунок 3.4).

При достаточном усилении сигнала (балансе амплитуд) и при правильной фазе сигнала, поступающего через цепь обратной связи (балансе фаз), в схеме возникают незатухающие колебания, форма которых определяется частотными характеристиками составляющих схемы. Если характеристики усилителя и цепи обратной связи формируются узкополосными элементами (контурами или резонаторами), то форма колебаний будет близка к синусоидальной. В случае применения широкополосных элементов - генерируются импульсные колебания.

Рисунок 3.4 Структурная схема генератора

В задающих генераторах передатчиков применяются синусоидальные генераторы, стабильность которых определяется стабильностью контуров или резонаторов. В генераторах передатчиков 5-9 диапазонов нашли широкое применение кварцевые резонаторы. На более высоких частотах используются кварцевые генераторы с умножением частоты, синтезаторы частоты и, в последние годы, - генераторы на диэлектрических резонаторах.

Усилители передатчиков (УВЧ) обеспечивают необходимую выходную мощность, которая сильно отличается в разных диапазонах. К примеру, в диапазонах длинных и средних волн мощность радиостанций может составлять сотни киловатт и, даже, мегаватты, в диапазонах СВЧ - единицы и доли ватт, а в оптических диапазонах - единицы милливатт. Соответственно, усилители строятся на мощных лампах, транзисторах, микросхемах. Появились твердотельные, микроскопические усилители для радиосистем, работающих на частотах в десятки ГГц.

Оптические передатчики работают на специальных светодиодах и лазерах.

АВТОГЕНЕРАТОРЫ

Автогенератором, или генератором с самовозбуждением, назы­вается устройство, преобразующее энергию источников питания в радиочастотные колебания без возбуждения извне.

Генератор с самовозбуждением представляет собой усилитель с резонансной нагрузкой, охваченный положительной обратной связью (рисунок 4.1а). В качестве активного элемента могут быть использованы как электронная лампа, так и транзистор. Такая схе­ма автогенератора получила название схемы с трансформаторной обратной связью. Первичные колебания в резонансном контуре LC возникают вследствие любых случайных изменений питающих напряжений (флуктуации), влияний внешних электромагнитных полей и т. п. Эти колебания через катушку L св -поступают на вход усилителя (сопротивление конденсатора С с пренебрежимо мало). Переменное напряжение положительной обратной связи u пос уп­равляет электронным потоком лампы.

Рисунок 4.1 Принципиальные схемы автогенераторов с трансформаторной обратной связью (а, б) и влияние начального смещения на самовозбуждение транзисторного автогенератора (б)

Первая гармоника анодно­го тока создает падение напряжения на контуре LC. Амплитуда свободных колебаний увеличивается. Они вновь трансформируются во входную цепь, вновь усиливаются и т. д. Нарастание ампли­туды колебаний продолжается до определенного предела, обусловленного параметрами автогенератора. В системе устанавли­вается динамическое равновесие между потерями радиочастотной, энергии в контуре и восполнением ее за счет источника питания Е а. Это так называемый установившийся (стационарный) режим автогенератора. Параметры цепочки сеточного автосмещения под­бираются таким образом, чтобы в момент включения напряжение смещения было бы минимальным. Тогда лампа работает в клас­се А и возможно усиление колебаний сколь угодно малой ампли­туды. По мере нарастания напряжения u пос увеличиваются сеточ­ный ток и отрицательный потенциал на сетке. В стационарном ре­жиме активный элемент работает в классах Вили С, что облег­чает тепловой режим автогенератора вследствие уменьшения по­терь на аноде (коллекторе). Это обстоятельство способствует повышению стабильности частоты генерируемых колебаний. По­следние через разделительный конденсатор С р поступают на сле­дующий каскад радиочастотного тракта - буферный усилитель. Аналогичным образом происходит самовозбуждение транзи­сторного варианта автогенератора (рисунок 4.1 6). Характеристики ба­зового и коллекторного токов полупроводникового триода имеют некоторый сдвиг вправо относительно начала координат (рисунок 4.1). Если ограничиться применением только автосмещения, то в на­чальный момент времени напряжение на базе будет равно нулю (u б =0) и первичные автоколебания не будут вызывать появление коллекторного тока. Самовозбуждение не наступит.

Поэтому в транзисторных автогенераторах используется комбинированное смещение, представляющее собою алгебраическую сумму двух на­пряжений; постоянного Е нач и автоматического, возникающего на резисторе R э , за счет протекания по нему постоянной составляю­щей тока эмиттера I э0:

Е см = –Е нач + I э0 R э

Тогда в момент включения питающих напряжений будет действо­вать Е нач , открывающее транзистор. По мере увеличения ампли­туды колебаний будет возрастать падение напряжения на R э.

Ре­зультирующий отрицательный потенциал на базе уменьшится, и активный элемент будет работать в классе С. Одновременно це­почка R э C э будет стабилизировать режим транзистора при изме­нении температуры окружающей среды.

Самовозбуждение в автогенераторах с обратной связью воз­можно только при выполнении следующих двух условий:

1) как и в любом усилителе на лампе или транзисторе переменные напря­жения на сетке (базе) и аноде (коллекторе) должны быть всегда противофазны; в рассматриваемой схеме с трансформаторной об­ратной связью это достигается правильным включением концов катушки L св ;

2) амплитуда напряжения обратной связи U пос дол­жна быть не менее некоторой минимальной величины.

Первое условие называется балансом фаз, а второе - балансом амплитуд.

Автогенератор, выполненный по схеме с трансформаторной связью, не нашел широкого распространения в радиопередающих устройствах из-за некоторой сложности его конструкции и гене­рации колебаний на относительно низких частотах. Предпочтительнее в этом отношении генераторы с самовозбуждением, пост­роенные на основе так называемых трехточечных схем.

На рисунке 4.2 а и б показаны два варианта таких автогенераторов на транзисторах - с индуктивной и емкостной обратной связью. В обоих случаях активный элемент тремя основными электродами (к, б и э) подключен к трем точкам колебательного контура. Отсюда и та­кое наименование - трехточечная схема.

В первой из них напря­жение положительной обратной связи u пос снимается с одной из катушек индуктивности контура (L бэ), а во второй - с конден­сатора С бэ . В остальном обе схемы полностью совпадают. Процесс самовозбуждения и работа в стационарном режиме аналогичны тем же явлениям в только что рассмотренном варианте с транс­форматорной связью.

Начальное смещение на базу (E нач) пода­ется не от отдельного источника, а снимается с резистора R 1 , через который протекает ток I 14. Питание коллекторной цепи осуществляется по параллельной схеме. Назначение остальных элемен­тов такое же, как и в схемах генераторов с внешним возбужде­нием и усилителей звуковых сигналов.

Для упрощения анализа работы этих двух автогенераторов целесообразно рассмотреть их эквивалентные схемы (рисунок 4.2 в и г ), в которых сохранены только цепи токов радиочастоты, причем принимаем во внимание, что сопротивления конденсаторов С р, С б и С э имеют пренебрежимо малую величину.

Несмотря на кажу­щиеся отличия между данными эквивалентными трехточечными схемами, молено выявить для них общие условия самовозбуждения и доказать, что работоспособными являются только эти два ва­рианта сочетаний реактивных элементов Х бк, Х эб и Х эк.

Рисунок 4.2 Принципиальные и эквивалентные схемы транзисторных автогенераторов с индуктивной обратной связью (а, в) и емкостной обратной связью (б, г)

Во-первых, обязательное условие наличия положительной об­ратной связи в автогенераторе требует, чтобы коэффициент обрат­ной связи β по с был бы также положительной величиной.

Следовательно, реактивные сопротивления Х эб и Х эк должны одновременно носить либо индуктивный, либо емкостный характер. Во-вторых, резонанс в колебательном контуре автогенератора возможен только при условии

Х бк + Х эб + Х эк = 0.

Таким образом, если Х эб и Х эк являются индуктивными сопротивлениями, то Х бк должно быть емкостным рисунок 4.2 в ) и наобо­рот (рисунок 4.2 г ). Любое другое сочетание реактивных сопротивле­ний приведет к нарушению вышеуказанных условий самовозбуж­дения.

Практика показывает, что такой подход является весьма плодотворным при анализе сколь угодно сложных принципиаль­ных схем автогенераторов с обратной связью.

Все вышесказанное относится также и к ламповым автогене­раторам при условии соответствующего замещения коллектора, базы и эмиттера транзистора анодом, сеткой и катодом электро­вакуумного триода.

Автогенераторы, схемы которых изображены на рисунке 4.2, явля­ются одноконтурными. Они относительно просты в изготовлении и настройке.

К их существенному недостатку следует отнести невы­сокую стабильность частоты генерируемых колебаний, поскольку единственный резонансный контур, параметрами которого опреде­ляется эта частота, подвержен влиянию последующих каскадов радиочастотного тракта - изменяются вносимые сопротивления, добротность контура и т. д.

Указанный недостаток удалось значи­тельно ослабить в так называемых двухконтурных автогенерато­рах. Один из контуров, защищенный от внешних воздействий, практически целиком определяет частоту генерации, а второй, слабо связанный с первым, выполняет роль внешней нагрузки.

Рассмотренные выше схемы автогенераторов используются в диапазонах километровых и декаметровых волн. На более высо­ких частотах их применение оказывается невозможным с конст­руктивной точки зрения, так как междуэлектродные емкости элек­тронной лампы и распределенные индуктивности ее вводов стано­вятся неотъемлемыми составными частями резонансных систем генераторов с самовозбуждением.

Поэтому здесь используются ав­тогенераторы, построенные на основе так называемых сложных трехточечных схем. Они также относятся к классу двухконтурных автогенераторов, но связь между резонансными системами осуще­ствляется не через общий электронный поток, а через одну из междуэлектродных емкостей триода.

Каждый из двух контуров оказывается расстроенным по отношению к частоте генерации и его сопротивление носит реактивный характер, что позволяет про­водить анализ работы таких автогенераторов на основе уже хо­рошо известных трехточечных схем.

Рассмотрим вопросы, связанные со стабильностью частоты автогенератора. Жесткие требования, предъявляемые к радиопере­дающим устройствам в отношении постоянства частоты излучае­мых колебаний, требуют детального анализа даже незначитель­ных, на первый взгляд, причин, влияющих на этот параметр.

От­носительная нестабильность частоты всего радиопередающего устройства определяется только автогенератором и, прежде всего, параметрами его резонансной системы. Из теории радиотехниче­ских цепей известно, что точное значение частоты свободных ко­лебаний в резонансном контуре может быть определено при по­мощи следующей формулы:

В подавляющем большинстве случаев при исследовании физиче­ских процессов в колебательном контуре и устройствах, в состав которых он входит, с целью упрощения полагают, что его сопро­тивление потерь r = 0 и пользуются упрощенной формулой

В вопросах, связанных с нестабильностью частоты, такое упрощение неприемлемо, так как влияние потерь соизмеримо с воз­действием на величину ω 0 других дестабилизирующих факторов. Таким образом, в соответствии с формулой (4.1) частота генерируе­мых колебаний зависит не только от величин индуктивности L и емкости С колебательного контура, но и от сопротивления потерь, как собственных, так и вносимых в контур.

Выясним взаимосвязь между этими тремя параметрами и дестабилизирующими факторами. Вследствие механических воздей­ствий (вибраций, рассыхания каркасов и т. п.) меняются геомет­рические размеры катушек и конденсаторов колебательных кон­туров автогенераторов.

В прямой зависимости от этих размеров находятся величины их индуктивностей и емкостей. В итоге про­исходит отклонение частоты генерации от заданного значения. Изменение температуры окружающей среды также отражается на изменении размеров спиралей катушек, пластин конденсаторов и диэлектриков.

Например, в течение нескольких минут после вклю­чения питающих напряжений происходит разогрев внутренних де­талей автогенератора. Увеличиваются диаметр и длина спирали катушки, возрастает площадь пластин конденсатора, изменяются диэлектрические проницаемости изоляционных материалов. Большинство этих факторов вызывает увеличение индуктивности L и емкости С колебательного контура. В итоге по мере разогрева ав­тогенератора происходит постепенное уменьшение частоты коле­баний. Это явление наблюдается в течение 20-30 мин и носит название «выбега частоты».

На нестабильность частоты влияют также изменения питаю­щих напряжений. Они воздействуют в основном на перераспреде­ление объемных зарядов в междуэлектродных промежутках лам­пы. С ними связаны величины междуэлектродных емкостей, входящих в колебательную систему автогенератора.

Влияние последующих каскадов радиочастотного тракта зак­лючается в изменениях активных и реактивных составляющих со­противлений, вносимых в контур автогенератора. В соответствии, с выражением (4.1) это отражается на величине частоты резо­нансной системы.

От влажности и давления окружающего пространства зависят величины проницаемости диэлектриков и их проводимость. Изме­нение атмосферных условий также приводит к уходу частоты.

Многообразие дестабилизирующих факторов и сложный меха­низм воздействия на частоту генерации требуют применения це­лого комплекса мер, направленных на их ослабление. Сюда отно­сятся амортизация блока автогенератора, повышение жесткости его конструкции и т.п.

Воздействие на частоту автогенератора температурных изменений может быть ослаблено за счет исполь­зования термостата - устройства, внутри которого автоматически поддерживается постоянная температура. Герметизация термоста­та позволяет избежать влияния на частоту изменений влажности и давления.

Для борьбы с температурным фактором используются специальные конденсаторы, емкость которых не увеличивается, а уменьшается при нагревании, компенсируя тем самым увеличение индуктивности контура. Каркасы катушек изготовляются из высококачественного радиофарфора. Спирали наносятся либо мето­дом вжигания серебряной проволоки, либо намоткой предвари­тельно разогретого медного провода.

Автогенератор, как прави­ло, имеет отдельный источник питания, напряжение которого в ряде случаев стабилизируется. Ослабление влияния на частоту автогенератора последующих каскадов радиочастотного тракта достигается включением буферного каскада, который работает без сеточных токов и вследствие этого имеет неизменное входное со­противление.

Автогенератор тщательно экранируется от влияния внешних электромагнитных полей. Применение умножителей ча­стоты также способствует ослаблению влияния более мощных каскадов на возбудитель.

Исследования показывают, что стабильность частоты автогене­ратора во многом определяется добротностью его резонансной си­стемы Q. Чем больше ее величина, тем выше стабильность. Обыч­ный колебательный контур с сосредоточенными параметрами имеет в наилучшем случае добротность 250-300 единиц, а с учетом вносимых сопротивлений - и того меньше.

Поэтому автогенератор с таким контуром обладает довольно низкой относительной нестабильностью - порядка 10 -3 -10 -4 . Гораздо большая вели­чина добротности у так называемых кварцевых резонаторов - до нескольких миллионов единиц. Параметры кварца также мало подвержены влиянию внешних факторов. Конструктивно такой резонатор выполняется в виде пластины, вырезаемой из кристал­ла природного или синтетического кварца.

На ее поверхности с двух сторон наносятся тонкие серебряные покрытия, используемые в качестве электродов. Пластина помещается в металлический, пластмассовый или стеклянный баллон, внутри которого обычно создается вакуум. Тем самым достигается изоляция пластины от атмосферных воздействий, механических повреждений и загряз­нения ее поверхности. Кроме того, устраняется трение вибрирую­щей пластины о воздух, что позволяет сохранить высокую доброт­ность резонатора. Посредством специальных кварцедержателей, имеющих наружные выводы, резонатор подключается к радиотехнической схеме.

Как всякое упругое механическое тело, кварцевая пластина способна совершать колебания в каждом из трех измерений (по длине, ширине и толщине). Частоты этих колебаний строго зави­сят от геометрических размеров пластины. На практике в автоге­нераторах чаще всего используются колебания по ее толщине. В этом случае их частота может быть определена при помощи следующей приближенной формулы:

где f 0 - собственная частота колебаний, МГц; d - толщина плас­тины, мм.

Повышение резонансной частоты f 0 связано с необходимостью уменьшения этого размера, что неизбежно влечет за собою снижение механической прочности пластины. Во избежание ее раз­рушения она должна быть не тоньше 0,3 мм, что соответствует резонансной частоте 10 МГц. Этим обстоятельством частично объясняется необходимость применения умножителей в радиоча­стотных трактах передатчиков декаметровых волн.

Использование кварца в радиотехнических устройствах воз­можно благодаря наличию у него пьезоэлектрического эффекта: любая механическая деформация пластины вызывает появления электрических зарядов на ее противоположных гранях и наобо­рот. Резонансные свойства кварцевой пластины и явление обра­тимого пьезоэффекта дают возможность представить ее в виде некоторой эквивалентной электрической схемы, показанной на рисунке 4.3 а.

Рисунок 4.3 Эквивалентная схема (а) и частотная характеристика (б) квар­цевого резонатора

В ней собственно пластина заменена последовательным резонансным контуром с эквивалентными электрическими пара­метрами L кв , С кв и r кв. Параллельно ему подключена емкость кварцедержателя и монтажа С 0 .

На рисунке 4.3 б показан характер изменения реактивного сопро­тивления такого контура в зависимости от частоты вынужденных колебаний ω. При малых значениях ω сопротивлением емкости С 0 можно пренебречь, так как оно велико и подключено параллель­но цепи L кв , С кв и r кв. Сопротивление последней в интервале ча­стот 0-ω пос носит емкостный характер.

На частоте ω пос возник­нет резонанс напряжений в последовательном контуре. При даль­нейшем увеличении ω эквивалентное сопротивление последователь­ной ветви будет иметь индуктивный характер и возрастать по величине.

Кварцевый резонатор используется в автогенераторах двояко: либо как некоторая высокоэталонная эквивалентная индуктив­ность в интервале частот ω пос -ω пар , либо как узкополосный фильтр на частоте ω пос , включаемый в цепь обратной связи.

Генератор с внешним возбуждением (ГВВ)

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

хорошую работу на сайт">

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В цифровых системах сигналы передаются в виде различных комбинаций импульсов постоянной амплитуды, отображающих числовое значение сигнала в каждый данный момент времени (кодовыми группами).

Чтобы каждое значение сигнала можно было преобразовать в соответствующую кодовую группу, количество таких значений должно быть ограничено. Поэтому в кодовые группы можно преобразовывать только дискретные во времени сигналы. Для возможности передачи непрерывных по времени сигналов в цифровой форме, т.е. в виде кодовых групп, их необходимо предварительно преобразовать в дискретные.

Передавать дискретизированный сигнал по линии нецелесообразно, т.к. он очень чувствителен к влиянию помех. Поэтому в цифровых системах передачи его преобразуют в цифровую форму. С этой целью сигнал подвергают процессам квантования и кодирования. Далее происходит преобразование цифровых символов в сигналы - модуляция.

В данной курсовой работе необходимо разработать структурную схему системы и функциональную схему приемного или передающего устройства. Определить скорость передачи информации, вид модуляции, тип избыточного кода с использованием заданного варианта и разработать схемные решения устройств, реализующие выбранные параметры.

1. Анализ существующих методов передачи информации в ИТС

1.1 Анализ сообщений различной физической природы

Информационная наука находит применение в самых разнообразных областях. В связи с этим нет всеобщего для всех наук классического определения понятия “информация”. Под информацией понимают не все получаемые сведения, а только те, которые еще не известны и являются новыми для получателя. В этом случае информация является мерой устранения неопределенности. Передача информации на расстояние осуществляется при помощи сообщения.

Сообщение - информация, выраженная в определенной форме и предназначенная для передачи ее от источника к получателю с помощью сигналов различной физической природы. Сообщением могут быть телеграмма, фототелеграмма, речь, телевизионное изображение, данные на выходе ЭВМ и т.д., передаваемые по различным каналам связи, а также сигналы различной физической природы, исходящие от объектов.

Сигнал передаёт сообщение во времени. Следовательно, он всегда является функцией времени, даже если сообщение (например, неподвижное изображение) таковым не является. Если сигнал представляет собой функцию х(t), принимающую только определенные дискретные значения х, то его называют дискретным или дискретным по уровню (амплитуде). Точно так же и сообщение, принимающее только некоторые определенные уровни, называют дискретным. Если же сигнал (или сообщение) может принимать любые уровни в некотором интервале, то они называются непрерывными или аналоговыми.

В настоящее время происходит непрерывное расширение областей применения систем передачи цифровой информации и все большее число различных видов аналоговой информации стремятся передавать в цифровой форме. Это относится к передаче телефонных сообщений, фотоизображений, данных телеметрии и т. п. Таким образом, дискретные сообщения могут быть как первичными, так и вторичными, полученными из непрерывных.

1.2 Передача непрерывных сообщений и виды модуляции

Для передачи информации на расстояние необходимо передать содержащее эту информацию сообщение. Системы передачи информации состоит из следующих основных элементов: источник, кодер, модулятор, канал, демодулятор, декодер и приемник.

Кодер осуществляет отображение генерируемого сообщения в дискретную последовательность. Модулятор и демодулятор в совокупности реализуют операции по преобразованию кодированного сообщения в сигнал и обратные преобразования.

Декодер отображает дискретную последовательность в копию исходного сообщения.

При радиопередаче низкочастотный информационный сигнал передается на несущей радиочастоте и должен ее изменять (модулировать). При модуляции могут изменяться амплитуда, частота или фаза несущей. Модуляцию применяют для того, чтобы:

передать информацию с минимумом искажений;

провести передачу и прием с минимальными потерями;

эффективно использовать частотный спектр.

Существует три основных вида аналоговой модуляции:

1. Амплитудная модуляция (АМ) - модуляция, при которой незатухающие колебания изменяются по амплитуде в соответствии с модулирующими его колебаниями более низкой частоты. AM является наиболее простым и распространенным способом изменения параметров носителя информации, частота и начальная фаза колебания поддерживаются неизменными. Вид амплитудной модуляции представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Амплитудная модуляция

2. Частотная модуляция (ЧМ) - модуляция, при которой несущая частота сигнала изменяется в соответствии с модулирующим колебанием. Основными достоинствами частотной модуляции являются: высокая помехоустойчивость, возможность использования статистических свойств многоканального сообщения для повышения помехоустойчивости, возможность простыми средствами обеспечить постоянство остаточного затухания каналов связи. Частотная модуляция показана на рисунке 2.

Рис. 2. Частотная модуляция

3. Фазовая модуляция (ФМ) - изменение фазы несущей пропорционально мгновенным значениям модулирующего сигнала. При ФМ по закону модулирующего колебания uЩ(t) изменяется фаза колебаний:

Ф(t)= щ0t+kфм uЩ(t),

где kфм - коэффициент пропорциональности, численно равный крутизне характеристики фазового модулятора.

При ЧМ и ФМ в процессе модуляции осуществляется воздействие на фазу (фазовый угол) несущего колебания, т.е. эти два вида модуляции являются разновидностями, так называемой угловой модуляции.

1.3 Передача дискретных сообщений и виды манипуляции

Дискретное сообщение, формируемое источником, представляет собой последовательность знаков, выбираемых из определенного набора. Для преобразования последовательности знаков дискретного сообщения в первичный сигнал сначала производится их кодирование, т.е. каждый знак сообщения заменяется комбинацией из небольшого числа стандартных символов, а далее эти стандартные символы преобразуются в стандартные электрические сигналы ui (рис.3).

Знаки Т П С

Кодовые комбинации 00001 01101 10100

Рис. 3. Преобразование сообщений при кодировании

В результате кодирования каждый знак сообщения представляется в виде последовательности символов вторичного алфавита - кодовых комбинаций. Кодирование может производиться вручную или автоматически. Устройство, осуществляющее операцию кодирования автоматически, называется кодером.

Обратная операция, т.е. восстановление знаков сообщения из кодовых комбинаций, называется декодированием, а устройство, выполняющее эту операцию - декодером. Обычно кодер и декодер выполняют также операции преобразования символов в первичный сигнал и первичного сигнала в символы, их часто объединяют в единое устройство - кодек. Процесс преобразования дискретного сообщения в сигнал и обратного преобразования сигнала в сообщение показан на рисунке 4.

Дискретная модуляция является частным случаем модуляции гармонической несущей, когда модулирующий сигнал u(t) дискретный. Таким дискретным модулирующим сигналом обычно является первичный сигнал, отображающий символы кодовых комбинаций дискретных сообщений. Дискретную модуляцию называют еще манипуляцией.

Управляя с помощью первичного сигнала параметрами гармонической несущей, можно получить амплитудную, частотную и фазовую манипуляцию.

На рис. 5 приведены формы сигнала при двоичном коде для различных видов дискретной модуляции. При АМ символу 1 соответствует передача несущего колебания в течение времени T (посылка), символу 0 - отсутствие колебания (пауза). При ЧМ передача несущего колебания с частотой f1 соответствует символу 1, а передача колебания с частотой f0 соответствует 0. При двоичной ФМ меняется фаза несущей на р при каждом переходе от 1 к 0 и от 0 к 1.

Рис. 5. Формы сигналов при двоичном коде для различных видов дискретной модуляции

В системах передачи дискретных сообщений решающая схема состоит их двух частей: демодулятора и декодера.

1.4 Системы передачи информации цифровыми методами

Для преобразования непрерывного сообщения в цифровую форму используются операции дискретизации и квантования. Полученная таким образом последовательность квантованных отчетов кодируется и передается по дискретному каналу как всякое дискретное сообщение. На приемной стороне непрерывное сообщение после декодирования восстанавливается (с той или иной точностью).

Основное техническое преимущество цифровых систем передачи перед непрерывными системами состоит в их высокой помехоустойчивости. Это преимущество наиболее сильно проявляется в системах передачи с многократной ретрансляцией сигналов.

При цифровой системе непрерывных сообщений можно повысить верность применением помехоустойчивого кодирования. Высокая помехоустойчивость цифровых систем передачи позволяет осуществлять практически неограниченную по дальности связь при использовании каналов сравнительно невысокого качества.

Рассмотрим структурную схему цифрового канала передачи непрерывных сообщений (рис. 6).

Рис. 6. Структурная схема системы цифровой передачи

В составе цифрового канала передачи предусмотрены устройства для преобразования непрерывного сообщения в цифровую форму - аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) на передающей стороне и устройства преобразования цифрового сигнала в непрерывную форму - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) на приемной стороне. Полученный на выходе АЦП цифровой сигнал передаётся по дискретному каналу. Дискретный канал содержит кодер, модулятор, линию связи, демодулятор, декодер. На приёмной стороне из принятого цифрового сигнала ЦАП восстанавливает с той или иной точностью непрерывный сигнал.

В устройстве преобразования сообщения в сигнал непрерывное сообщение, поступающее с выхода источника, преобразуется в цифровой сигнал.

Преобразование аналог - цифра состоит из трех операций: сначала непрерывное сообщение подвергается дискретизации по времени через интервалы; полученные отсчеты мгновенных значений квантуются; наконец полученная последовательность квантованных значений передаваемого сообщения представляется посредством кодирования в виде последовательности двоичных символов «0» и «1».

Такое преобразование называется импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). Чаще всего кодирование здесь сводится к записи номера уровня в двоичной форме счисления.

Полученный с выхода АЦП сигнал ИКМ поступает или непосредственно в линию связи, или на вход передатчика. На приемной стороне линии связи последовательность импульсов после демодуляции и регенерации в приемнике поступает на цифро-аналоговый преобразователь ЦАП, назначение которого состоит в обратном преобразовании (восстановлении) непрерывного сообщения по принятой последовательности кодовых комбинаций.

В состав ЦАП входят декодирующее устройство, предназначенное для преобразования кодовых комбинаций в квантовую последовательность отсчетов, и сглаживающий фильтр, восстанавливающий непрерывное сообщение по квантовым значениям.

Преобразование непрерывных сообщений в цифровую форму в системах ИКМ сопровождается округлением мгновенных значений до ближайших разрешенных уровней квантования. Возникающая при этом погрешность представления является неустранимой, но контролируемой (так как не превышает половины шага квантования). Выбрав малых шаг квантования, можно обеспечить эквивалентность по заданному критерию исходного и квантованного сообщений. Погрешность (ошибку) квантования, представляющую собой разность между исходным сообщением и сообщением, восстановленным по квантованным отсчетам, называют шумом квантования.

2. Анализ методов повышения помехоустойчивости систем передачи информации

2.1 Помехоустойчивое кодирование

Любое мешающее внешнее или внутреннее воздействие на сигнал, вызывающее случайные отклонения принятого сигнала от передаваемого, называется помехой. Классифицируют помехи по следующим признакам: по происхождению, по физическим свойствам, по характеру воздействия на сигнал.

По происхождению надо отметить внутренние шумы аппаратуры, входящей в канал связи, - так называемые тепловые шумы.

По физическим свойствам различают флуктуационные и сосредоточенные помехи. Флуктуационные помехи - случайные отклонения физических величин. К сосредоточенным по спектру помехам относятся помехи посторонних радиостанций, генераторов высоких частот различного назначения, переходные помехи от соседних каналов многоканальных систем.

По характеру воздействия на сигнал различают аддитивные и мультипликативные помехи. Аддитивной называется помеха, мгновенные значения которой складываются с мгновенными значениями сигнала. Аддитивные помехи воздействуют на приемное устройство независимо от сигнала и имеют место даже тогда, когда на входе приемника отсутствует сигнал.

В реальных каналах связи обычно имеет место не одна помеха, а их совокупность.

Применение кодов, исправляющих ошибки, или помехоустойчивое кодирование является эффективным средством повышения достоверности передачи информации при сохранении неизменными скорости передачи и энергетических параметров канала связи и снижения отношения сигнал/шум, требуемого для обеспечения заданной достоверности приема информации. Кодирование с обнаружением и исправлением ошибок, как правило, связано с понятием избыточности кода, что приводит в конечном итоге к снижению скорости передачи информационного потока по тракту связи. Избыточность заключается в том, что цифровые сообщения содержат дополнительные символы, обеспечивающие индивидуальность каждого кодового слова.

Вторым свойством, связанным с помехоустойчивым кодированием является усреднение шума. Этот эффект заключается в том, что избыточные символы зависят от нескольких информационных символов. При увеличении количества избыточных символов доля ошибочных символов в блоке стремится к средней частоте ошибок в канале. Обрабатывая символы блоками, а не одного за другим можно добиться снижения общей частоты ошибок и при фиксированной вероятности ошибки блока долю ошибок, которые нужно исправлять. Все известные в настоящее время коды могут быть разделены на две большие группы: блочные и непрерывные. Блочные коды характеризуются тем, что последовательность передаваемых символов разделена на блоки. Операции кодирования и декодирования в каждом блоке производится отдельно. Непрерывные коды характеризуются тем, что первичная последовательность символов, несущих информацию, непрерывно преобразуется по определенному закону в другую последовательность, содержащую избыточное число символов. При этом процессы кодирования и декодирования не требует деления кодовых символов на блоки.

2.2 Системы с обратной связью

Системами передачи дискретной информации с обратной связью (ОС) называют системы, в которых повторение ранее переданной происходит лишь после приема сигнала ОС. Системы с обратной связью делятся на системы с решающей ОС и информационной ОС.

2.2.1 Системы с решающей обратной связью

В приемнике системы правильно принятые комбинации накапливаются в накопителе и, если после приема блока хотя бы одна из комбинаций не будет принята, то формируется сигнал переспроса, единый на весь блок. Повторяется снова весь блок, а в приемнике системы из блока отбираются комбинации, не принятые при первой передаче. Переспросы производятся до тех пор, пока не будет приняты все комбинации блока. После приема всех комбинаций посылается сигнал подтверждения. Получив его, передатчик передает следующий блок комбинаций (системы с адресным переспросом - РОС-АП). Эти системы во многом аналогичны системам с накоплением, но в отличие от последних приемник их формирует и передает сложный сигнал переспроса, в котором указываются условные номера (адреса) не принятых приемником комбинаций блока. В соответствии с этим сигналом, передатчик повторяет не весь блок, как в системе с накоплением, а лишь не принятые комбинации (системы с последовательной передачей кодовых комбинаций - РОС-ПП).

Известны различные варианты построения систем РОС-ПП, основными из которых являются:

Системы с изменением порядка следования комбинаций (РОС-ПП). В этих системах приемник стирает лишь комбинации, по которым решающим устройством принято решение на стирание, и только по этим комбинациям посылает на передатчик сигналы переспроса. Остальные комбинации выдаются в ПИ по мере их поступления.

Системы с восстановлением порядка следования комбинаций (РОС-ПП). От систем РОС-ПП данные системы отличаются лишь тем, что приемник их содержит устройство, восстанавливающее порядок следования комбинаций.

Системы с переменным уплотнением (РОС-ПП). Здесь передатчик поочередно передает комбинации из последовательностей, причем число последних выбирается так, чтобы ко времени передачи комбинаций на передатчике уже был принят сигнал ОС по ранее переданной комбинации этой последовательности.

Системы с блокировкой приемника на время приема комбинаций после обнаружения ошибки и повторением или переносом блока из комбинаций (РОС-ПП).

Системы с контролем заблокированных комбинаций (РОС-ПП). В этих системах после обнаружения ошибки в кодовой комбинации и передачи сигнала переспроса производится контроль на наличие обнаруженных ошибок h -1 комбинаций, следующих за комбинацией с обнаруженной ошибкой.

2.2.2 Системы с информационной обратной связью

Различие в логике работы систем с РОС и ИОС проявляется в скорости передачи. В большинстве случаев передача служебных знаков требуют меньших затрат энергии и времени, чем передача по прямому каналу опознавателей в системе с РОС. Поэтому скорость передачи сообщений в прямом направлении в системе с ИОС больше. Если помехоустойчивость обратного канала выше помехоустойчивости прямого, то достоверность передачи сообщений в системах с ИОС также выше. В случае полной бесшумной информационной обратной связи можно обеспечить безошибочную передачу сообщений по прямому каналу независимо от уровня помех в нем. Для этого надо дополнительно организовать корректировку искажаемых в прямом канале служебных знаков. Такой результат, в принципе, недостижим в системах с РОС распределенного типа. В случае группирующихся ошибок существенную роль играют условия, в которых передаются информационная и контрольная части кодовых комбинаций в обеих системах связи. При использовании ИОС часто имеет место единственная декорреляция ошибок в прямом и обратном каналах.

Важную роль при сравнении передачи сообщений с РОС и ИОС играют также длина используемого кода n и его избыточность s/t. Если избыточность невелика (s/n<0,3), то даже при бесшумном обратном канале ИОС практически не обеспечивает по достоверности преимущества перед РОС. Однако скорость передачи у систем с ИОС по-прежнему выше. Следует указать еще одно преимущество систем с ИОС, обусловленное различием в скорости. Каждому заданному значению эквивалентной вероятности ошибки соответствует оптимальная длина кода, при отклонении от которой скорость передачи в системе с РОС уменьшается. В системах с ИОС при s/n>0,3 передачу сообщений выгоднее вести короткими кодами. При заданной наперед достоверности скорость передачи от этого становится больше. Это выгодно с практической точки зрения, т.к осуществлять кодирование и декодирование при коротких кодах легче. С увеличением избыточности кода преимущество систем с ИОС по достоверности передачи возрастает даже при одинаковых по помехоустойчивости прямом и обратном каналах, особенно если передача сообщений и квитанции в системе с ИОС организована так, что ошибки в них оказываются некорректированными. Энергетический выигрыш в прямом канале системы с ИОС оказывается на порядок выше, чем в системе с РОС. Таким образом, ИОС во всех случаях обеспечивает равную или более высокую помехозащищенность передачи сообщений по прямому каналу, особенно при больших s и бесшумном обратном канале. ИОС наиболее рационально применять в таких системах, где обратный канал по роду своей загрузки может быть без ущерба для других целей использован для эффективной передачи квитирующей информации.

Однако общая сложность реализации систем с ИОС больше, чем систем с РОС. Поэтому системы с РОС нашли более широкое применение. Системы с ИОС применяют в тех случаях, когда обратный канал может быть без ущерба для других целей эффективно использован для передачи квитанций.

3. Расчёт характеристик систем передачи информации

В ходе работы необходимо:

*определить скорость передачи информации;

*выбрать вид модуляции;

*выбрать вариант построения системы передачи информации, обеспечивающий передачу заданного объема информации за сеанс связи при наиболее эффективном использовании каналов связи;

*разработать структурную схему системы;

*разработать функциональную схему приемного или передающего устройства и построить временные характеристики сигналов в различных сечения устройства.

1. Определим необходимую скорость передачи данных по каналу связи при условии, что объем служебной информации за сеанс не превысит 8%. Скорость передачи информации V равна количеству информации, передаваемой по каналу связи за единицу времени [бит/ с]:

где Iп - объем передаваемой информации,

Tсс - время сеанса связи

Полученная скорость передачи информации, равная 2400 бит/с, соответствует ГОСТу 17422-82.

Скорость модуляции B определяется по формуле:

Вычислим количество позиций сигнала. Зная, что, и подставив исходное значение для полосы пропускания, получим:

т.е. имеем четырехпозиционный сигнал. Тогда скорость модуляции равна

2. Рассчитаем полосу пропускания для фильтра

Ширина полосы пропускания фильтра не превышать допустимой полосы 3100 Гц. 1700 Гц? 3100 Гц? можно использовать скорость модуляции B = 1200 Бод.

Для того чтобы моделировать четырехпозиционный сигнал со скоростью передачи информации 2400 бит/с, понадобится использование двойной относительной фазовой манипуляция (ДОФМ).

3. Рассчитаем эффективное значение напряжения помехи при полосе пропускания фильтра?Fпф = 1700 Гц по формуле:

4. Потенциальная помехоустойчивость при использовании метода ДОФМ:

где Ф(q) - Функция Крампа

Вероятность ошибки

q - отношение сигнал/помеха

При скорости модуляции В=1200 Бод вероятность ошибки, получим:

5. Рассчитаем эффективное значение напряжения сигнала по формуле:

Уровни сигнала на входе и выходе канала:

Для того чтобы передающее устройство не вышло из строя, должно выполняться условие:

где: Pсвх - уровень сигнала на входе,

Pmax - максимально допустимый уровень сигнала.

Для каналов тональной частоты Pmax = -13 дБ.

Условие (3.13) выполняется, следовательно, этот тип модуляции может быть использован для построения системы передачи с данными параметрами.

4. Структурная и функциональная схема систем передачи информации

дискретный цифровой помехоустойчивость манипуляция

1. Система передачи сигнала состоит из передающего устройства преобразования сигналов (УПСпер), канала связи и принимающего устройства преобразования сигналов (УПСпр).

Структурная схема системы передачи информации приведена на рисунке 7.

Рис. 7. Структурная схема системы передачи информации

К - кодер,

ФМ - фазовый модулятор сигнала,

Г - генератор,

ПФ - полосовой фильтр,

ОА - ограничитель амплитуды,

ДФ - фазовый демодулятор,

ФНЧ - фильтр нижних частот,

ВУ - выходное устройство,

ДК - декодер.

Сигнал из кодера поступает в модулятор, на выходе которого получается последовательность положительных и отрицательных импульсов, умноженных на синусоидальное несущее колебание, создаваемое генератором импульсов Г.

Преобразователь обеспечивает изменение фазы несущей частоты.

Полосовой фильтр УПСпер служит для ограничения спектра сигнала, передаваемого в канал связи.

Полосовой фильтр УПСпр предназначен для уменьшения помех, приходящих из канала связи. Ограничение амплитуды ОА позволяет, во-первых, почти полностью устранить влияние изменений амплитуды сигнала в канале связи на длительность принимаемых сигналов и, во-вторых, значительно уменьшить искажения элементов сигнала в результате нестационарных процессов. Кроме того, ОА уменьшает действие импульсных помех. Демодулятор превращает сигнал в импульсы постоянного тока. Фильтр нижних частот ФНЧ подавляет в выпрямленном сигнале высшие гармоники и остатки несущей. Выходное устройство ВУ обеспечивает форму и амплитуду сигналов на выходе, необходимую для нормального функционирования приемника информации ПИ.

2. Рассмотрим принцип работы системы передачи при ДОФМ.

На рис. 8. приведена функциональная схема системы передачи информации.

Рис. 8. Функциональная схема системы передачи информации.

Правило кодирования при ДОФМ иллюстрирует таблица 1 (Рекомендация V.26 МККТТ).

Таблица. 1. Правило кодирования при ДОФМ.

Из приведенного следует, что модемы ДОФМ реализуют кодирование при m = 4.

При ДОФМ для передачи информации по первому двоичному каналу используются, например, фазовые сдвиги р/2 и Зр/2, а по второму двоичному каналу 0 и р, что иллюстрируется векторными диаграммами (рисунок 9). Сплошными линиями показаны фазовые положения векторов отдельных каналов, а пунктиром -- фазовые положения векторов при совместной работе двух каналов. Таким образом, любой комбинации единичных элементов в каждом из двоичных каналов соответствует определенный сдвиг по фазе.

Рис. 9. Векторные диаграммы сигналов ДОФМ.

Поступающая на передатчик последовательность импульсов разбивается на пары бит, называемые «дибит». Возможны четыре различных дебита: 00, 01, 10 и 11. Фазовый модулятор использует импульсный принцип, т. е. фаза изменяется путём добавления импульсов в процессе деления частоты. При этом требуемый фазовый скачок получается как сумма трёх меньших скачков.

Демодулятор ДОФМ устроен так, что при сдвиге фаз между предыдущим и последующим единичными элементами на 45° на выходах обоих каналов получаются нули, при? =225° -- единицы, при? =135° на выходе первого канала -- ноль, второго -- единица и при? =315° на выходе первого канала -- единица, а второго -- ноль. При ДОФМ на той же скорости модуляции, что и при ОФМ, обеспечивается вдвое большая эффективная скорость передачи, поскольку каждое фазовое состояние соответствует не одному биту информации (как при ОФМ), а двум битам (по одному в каждом канале).

Заключение

В ходе выполнения курсового проекта мной были изучены виды модуляции, выявлены достоинства и недостатки каждого из них.

В результате выполнения данного курсового проекта было спроектировано устройство преобразования сигналов, основной задачей которого является передача сигналов данных по каналу связи с требуемой скоростью V и вероятностью ошибки P0.

Для его проектирования были рассчитаны параметры системы связи. При данной скорости модуляции была выбрана ДОФМ, как наиболее оптимальный режим работы, обеспечивающий заданную помехоустойчивость на определенной частоте.

Для выбранного типа системы разработана структурная и функциональная схемы.

Список литературы

1.Белов С.П. Методические рекомендации по выполнению курсовых проектов (работ) по дисциплине "Теория электрической связи" для студентов специальности 210406 "Сети связи и системы коммутации"/С.П. Белов, Е.И. Прохоренко. - Белгород:, 2005. - 32с.

2.Гаранин М.В., Журавлев В.И., Кунегин С.В. Системы и сети передачи информации. - М.: "Радио и связь", 2001. - 366с.

3.Дж. Дэвис, Дж. Карр. Карманный справочник радиоинженера/ Пер. с англ. - М.: «Додэка-XXI», 2002. - 544 с.

4.Кловский Д.Д. Теория электрической связи. - М.: «Радио и связь»,1999. - 433с.

5.С.И. Баскаков. Радиотехнические цепи и сигналы, 2-е издание. - М.: Высшая школа, 2005. - 462с.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Методы кодирования сообщения с целью сокращения объема алфавита символов и достижения повышения скорости передачи информации. Структурная схема системы связи для передачи дискретных сообщений. Расчет согласованного фильтра для приема элементарной посылки.

курсовая работа , добавлен 03.05.2015


Статистический анализ искажений. Выбор способа повышения верности передачи заданного сообщения. Составление структуры пакета передаваемых данных для заданного протокола. Составление функциональных схемы передающего и приемного оконечных устройств.

курсовая работа , добавлен 09.07.2012


Разработка структурных схем передающего и приемного устройств многоканальной системы передачи информации с ИКМ; расчет основных временных и частотных параметров. Проект амплитудно-импульсного модулятора для преобразования аналогового сигнала в АИМ-сигнал.

курсовая работа , добавлен 20.07.2014


Функции основных блоков структурной схемы системы передачи дискретных сообщений. Определение скорости передачи информации по разным каналам. Принципы действия устройств синхронизации, особенности кодирования. Классификация систем с обратной связью.

курсовая работа , добавлен 13.02.2012


Формы представления информации, ее количественная оценка. Сущность и первичное кодирование дискретных сообщений. Совокупность технических средств, предназначенных для передачи информации. Система преобразования сообщения в сигнал на передаче и приеме.

реферат , добавлен 28.10.2011


Способы передачи дискретных сигналов и телеграфирования в соответствии с исходными данными. Преобразование исходной кодовой комбинации с целью повышения достоверности передачи. Устройство защиты от ошибок, асинхронная передача и дискретный сигнал.

контрольная работа , добавлен 26.02.2012


Проектирование радиоэлектронной системы передачи непрерывных сообщений по цифровым каналам. Расчет и выбор параметров преобразования сообщения в цифровую форму, радиолинии передачи информации с объекта. Описание структурной схемы центральной станции.

курсовая работа , добавлен 07.07.2009


Методы цифровой обработки сигналов в радиотехнике. Информационные характеристики системы передачи дискретных сообщений. Выбор длительности и количества элементарных сигналов для формирования выходного сигнала. Разработка структурной схемы приемника.

курсовая работа , добавлен 10.08.2009


Проектирование радиоэлектронной системы передачи непрерывных сообщений с подвижного объекта по радиоканалу на пункт сбора информации. Расчет параметров преобразования сообщений и функциональных устройств. Частотный план системы и протоколы ее работы.

курсовая работа , добавлен 07.07.2009


Исследование сущности и функций системы передачи дискретных сообщений. Расчет необходимой скорости и оценка достоверности их передачи. Выбор помехоустойчивого кода. Определение порождающего полинома. Оптимизация структуры резерва дискретных сообщений.

Содержание:

Введение

1. Радиопередатчики на основе цифровых контроллеров информационного тракта

2. Радиопередатчики с прямым цифровым формированием высокочастотных сигналов

Заключение

Список литературы

Введение

Радиопередающие устройства (РПдУ) применяются в сферах телекоммуникации, телевизионного и радиовещания, радиолокации, радионавигации. Стремительное развитие микроэлектроники, аналоговой и цифровой микросхемотехники, микропроцессорной и компьютерной техники оказывает существенное влияние на развитие радиопередающей техники как с точки зрения резкого увеличения функциональных возможностей, так и с точки зрения улучшения ее эксплуатационных показателей. Это достигается за счет использования новых принципов построения структурных схем передатчиков и схемотехнической реализации отдельных их узлов, реализующих цифровые способы формирования, обработки и преобразования колебаний и сигналов, имеющих различные частоты и уровни мощности.

В области телекоммуникаций и вещания можно выделить следующие основные непрерывно возрастающие требования к системам передачи информации, элементами которых являются РПдУ:

Обеспечение помехоустойчивости в перегруженном радиоэфире;

Повышение пропускной способности каналов;

Экономичность использования частотного ресурса при многоканальной связи;

Улучшение качества сигналов и электромагнитной совместимости.

Стремление удовлетворить этим требованиям приводит к появлению новых стандартов связи и вещания. Среди уже известных GSM, DECT, SmarTrunk II, TETRA, DRM и др.

1. Радиопередатчики на основе цифровых контроллеров информационного тракта

В настоящем разделе речь пойдет о радиопередатчиках, у которых низкочастотные модулирующие и управляющие сигналы вырабатываются специализированными цифровыми сигнальными процессорами, а сама модуляция осуществляется в аналоговых каскадах, работающих на высоких рабочих или промежуточных частотах. Цифровые сигнальные процессоры такого типа называются контроллерами информационного тракта (Baseband controller). Они являются специализированными ИМС, выполняющими в передатчиках и приемопередатчиках (трансиверах) целый ряд функций, основными из которых являются следующие.

1. Преобразование поступающей в передатчик аналоговой (речевой) информации в цифровую форму встроенным АЦП и дальнейшая ее обработка перед подачей на модулятор - фильтрация, кодирование, накопление и сжатие, объединение в пакеты (Burst encoding). Формирование пакетов осуществляется с добавлением идентификационной информации, управляющих данных, синхронизирующих последовательностей, данных для проверки правильности принятого пакета и пр. Все необходимые для этого данные хранятся в ПЗУ контроллера или получаются контроллером из принимаемого от других станций сигналов. Например, «личный» аутентификационный код передатчика хранится в ПЗУ, а в эфир передается другой код, вычисленный контроллером по встроенному алгоритму с использованием «личного» кода и принятого от базовой станции кодового запроса (случайного числа).

2. Формирование цифрового модулирующего сигнала и преобразование его в аналоговую форму с помощью встроенного ЦАП для подачи на модулятор.

3. Управление каскадами передатчика - режимами по постоянному току, коэффициентами передачи (в системах автоматической регулировки мощности сигнала и защиты транзисторов выходных каскадов), подключением резервных блоков. Для этого контроллер содержит встроенные ЦАП и АЦП и средства обмена данными с внешними ЦАП и АЦП. Управление выходной мощностью передатчика необходимо для поддержания ее неизменной величины в случае работы с сигналами с постоянной огибающей, а также для формирования огибающей РЧ импульсов в соответствии с определенной временной маской при работе в пакетном режиме.

4. Переключение прием-передача.

5. Управление синтезатором частоты - сменой рабочей частоты, ее подстройкой, синхронизацией для работы в системе с другими станциями.

6. Осуществление пользовательского интерфейса - обмен данными с дисплеем, индикаторами, клавиатурой, внешним управляющим компьютером, а также с периферийными устройствами, имеющими цифровое управление. Сопряжение с телефонной сетью общего пользования или сетью ISDN.

7. Временная синхронизация для работы в системе передачи информации с множественным доступом в качестве абонентской или базовой станции. Межсистемная синхронизация. В частности, если в качестве примера цифрового передатчика рассматривать передатчик абонентской части системы DECT, его работа подчиняется трем типам синхронизации TDMA - слотовой синхронизации (с длительностью слота 416,7 мкс, за которые передается 480 бит), кадровой синхронизации (1 кадр равен 24 слотам) и мультикадровой (160 мс) синхронизации.

Наиболее обобщенная структурная схема приемопередатчика (трансивера) с контроллером информационного тракта приведена на рис. 1.1. Она включает функции, перечисленные выше. Варианты внутренней структуры контроллера информационного тракта приведен на рис. 1.2. Это упрощенная структура ИМС PCD87550 фирмы Филлипс, которая является контроллером информационного тракта цифровых радиопередатчиков системы беспроводной передачи данных «Bluetooth» (рис. 1.2.а) и структурная схема baseband-контроллера AD6526, предназначенного для построения трансиверов стандартов GSM/GPRS (рис. 1.2б). Вычислительным ядром этих контроллеров является специализированный процессор ARM TDMI, управляющий контроллером связи, который, в свою очередь, через радиоинтерфейс управляет работой трансивера, получает и передает через него данные. Под радиоинтерфейсом здесь имеется в виду схема сопряжения цифрового контроллера связи с аналоговой частью трансивера.

Остальные блоки, показанные на рис. 1.2а, особых пояснений не требуют: это кодек речи, ЦАП для управления режимами каскадов трансивера, внутренний тактовый генератор, память, интервальный таймер, а также богатый выбор интерфейсов для связи с периферийными устройствами (например, дисплеем, клавиатурой) и внешним управляющим компьютером.

Контроллер AD6526 является более специализированным, поэтому в него введены такие блоки, как интерфейс SIM-карты, интерфейсы дисплея, клавиатуры и подсветки, часы реального времени и др. Его блоки можно разделить на три основные группы: подсистема управляющего микропроцессора (MCU), подсистема сигнального процессора (DSP), подсистема периферии.

Для получения модулированных сигналов с рабочей частотой в радиопередатчиках с контроллерами информационного тракта используют несколько типов структурных схем радиочастотных трактов. Приведем здесь самые распространенные из них.

1. Передатчики с прямой модуляцией и прямой квадратурной модуляцией характеризуются тем, что генератор, управляемый напряжением (ГУН) вырабатывает колебания с рабочей частотой передатчика (например, для системы DECT около1900 МГц, а для Bluetooth - 2.4 ГГц), а модуляция происходит путем воздействия на сам ГУН или его выходной сигнал. В передатчиках с прямой модуляцией (рис. 1.3а) реализуются виды модуляции с постоянной огибающей, например, частотная манипуляция (N-FSK), а в передатчиках с прямой квадратурной модуляцией (рис. 1.3б) возможно формирование любых узкополосных амплитудно-фазовых видов модуляции, например многопозиционной квадратурной амплитудной модуляции (N-QAM). Интегральные квадратурные СВЧ-модуляторы были рассмотрены в предыдущем разделе.

Схемы с прямой модуляцией и прямой квадратурной модуляцией получаются предельно простыми, и это является их основным достоинством, но при повышенных требованиях к качеству (спектральной чистоте) сигнала передатчика или его экономичности могут оказаться существенными следующие их недостатки:

· затягивание (т.е. изменение) частоты ГУН при изменении параметров нагрузки, которой для него является усилитель мощности;

· смещение частоты ГУН за счет изменения его питающего напряжения, которое может претерпевать скачки в моменты включения усилителя мощности;

· значительное потребление энергии квадратурным модулятором СВЧ диапазона.

Большинство из этих недостатков обусловлено тем, что ГУН и усилитель мощности работают на одной и той же, достаточно высокой частоте. Стремление устранить эти недостатки привело к разработке других видов модуляции.

Только передатчики простейших РТС строят как однокаскадные, в виде мощного автогенератора, работающего непосредственно на антенно-волноводную (антенно-фидерную) систему. Такими являются передатчики метеонавигационных самолетных и навигационных судовых радиолокаторов (рисунок 1).

Рисунок 1. - Функциональная структурная схема однокаскадного

передатчика:

АГ - генератор электрических колебаний радиочастоты,

М - модуляционное устройство,

В - устройство питания,

0 - система охлаждения,

Ау - автоматическое управление

Большинство современных передатчиков, строятся по многокаскадной схеме. Структурная схема такого радиопередатчика показана на рисунке 2.

Рисунок 2. - Структурная схема многокаскадного передатчика

Источником колебаний радиочастоты является задающий генератор АГ (генератор с самовозбуждением или автогенератор), который должен обеспечить получение нужной частоты с заданной допустимой нестабильностью частоты для указанных внешних условий. Генератор с высокой стабильностью частоты обычно имеет малую мощность Р АГ =0,001... 0,01 Вт. Для получения заданной мощности на выходе передатчика колебания автогенератора приходится усиливать.

Число усилителей мощности радиочастоты (УМ) определяется требуемым коэффициентом усиления, усилительной способностью и выходной мощностью каждой ступени. В качестве активного усилительного элемента УМ используют электронные лампы и полупроводниковые приборы (транзисторы, тиристоры), пролетные многорезонаторные клистроны, амплитроны, лампы бегущей волны и др.

Применение многокаскадной структурной схемы - основной путь получения высокой стабильности частоты мощного передатчика. Поскольку основные каскады, включая самые мощные, являются усилителями, энергетические и многие качественные показатели передатчика (полезная мощность, промышленный КПД и т.д.) определяются параметрами каскадов усиления.

Последний, самый мощный, каскад усиления УМ n определяет выходную полезную мощность, а следовательно, и промышленный КПД передатчика. Этот каскад называют выходным или оконечным; УМ 2 , УМ 3 и т.д. считают промежуточными (предварительными), а УМ n-1 - предоконечным каскадом усиления.

Для получения высокого КПД большинство ГВВ работают со сложной периодической формой тока в выходной цепи, отличающейся от гармонической. Следовательно, спектр тока выходной цепи содержит как основную составляющую рабочей частоты f н, так и гармонические составляющие частоты 2f н, 3f н, 4f н, кроме этих составляющих в составе спектра тока могут быть и всевозможные комбинационные составляющие. Для того чтобы гармоники рабочей частоты и иные побочные составляющие не попали в антенну и не мешали работе других радиолиний (чтобы уровень этих составляющих не превышал допустимого), на выходе передатчика устанавливают выходную фильтрующую (колебательную) систему (ФС), т.е. фильтр, пропускающий рабочие и ослабляющий неосновные составляющие спектра выходного тока электронного или полупроводникового прибора.

Необходимость в сложной, громоздкой и дорогой многоконтурной системе на выходе передатчика обусловлена использованием негармонической формы тока для получения высокого КПД.

В передатчиках СВЧ и более ВЧ диапазонов для обеспечения заданной (допустимой) нестабильности частоты можно применять автогенератор, работающий на частоте, в несколько раз меньшей номинальной частоты передатчика. При этом в состав тракта усиления мощности следует включать умножители частоты (на рисунке 2 не показаны), способствующие также уменьшению влияния нагрузки передатчика и его мощных каскадов на работу автогенератора. Однако основным в ослаблении этого влияния является первый каскад усиления, называемый буферным.

Передаваемое сообщение, например сигнал звуковой частоты?, усиливается в модуляционном устройстве, которое также имеет несколько каскадов усиления. Сигнал с последнего каскада модуляционного устройства подается на один из каскадов радиочастоты (указано штриховой), где происходит модуляция (амплитудная, частотная, импульсная, однополосная или др.). Последний каскад называют модулятором, а предшествующий - подмодулятором.

Кроме того, в состав мощного передатчика входит несколько выпрямителей, образующих систему питания, система охлаждения, система управления, блокировки и сигнализации, обеспечивающая установленный порядок включения и выключения передатчика, безопасность обращения с ним для обслуживающего персонала и сигнализирующая о неисправном состоянии передатчика.

Угловая модуляция может быть получена прямым способом, когда модулируется непосредственно частота автогенератора передатчика, или косвенным, когда в промежуточном каскаде передатчика производится фазовая модуляция. Структурные схемы передатчиков с этими способами модуляции приведены на рисунках 3 и 4.

Рисунок 3. - Структурная схема передатчика с прямой ЧМ

Рисунок 4. - Структурная схема передатчика с косвенной ЧМ

Другими словами, прямую частотную модуляцию осуществляют: в полупроводниковых генераторах путем изменения параметров колебательного контура с помощью варикапов, варикондов, реактивного транзистора, нелинейной индуктивности (на частотах от нескольких мегагерц до десятков гигагерц); в диодных генераторах (на туннельном диоде, диоде Ганна) путём изменения напряжения смещения на диоде; в транзисторных RC-генераторах путём изменения режима работы транзистора (тока коллектора, напряжения смещения на переходе эмиттер-база).

В системах косвенного получения частотной модуляции используются фазовые модуляторы (ФМ).

Известны четыре наиболее распространённые структурные схемы передатчиков с ФМ:

· с ФМ на выходе передатчика;

· с ФМ в предоконечных каскадах с последующим усилением мощности сигнала ФМК;

· с ФМ в начальных каскадах с последующим умножением частоты и усилением мощности сигнала ФМК;

· с ФМ на поднесущей частоте с последующим транспонированием и усилением ФМ сигнала.

Те и другие способы получения ЧМ имеют свои недостатки и достоинства. Достоинство прямого метода - возможность получения глубокой и достаточно линейной частотной модуляции, недостаток - трудность обеспечения стабильности средней частоты колебания с ЧМ. Достоинство косвенного способа - высокая стабильность средней частоты, недостатки - неглубокая модуляция, трудность передачи низких модулирующих частот.

Возможность получения глубокой и линейной ЧМ делает предпочтительным прямой способ в радиовещательных передатчиках и передатчиках НРС. При этом для повышения стабильности средней частоты используют систему автоматической подстройки частоты (АПЧ) по высокостабильному кварцевому эталону. Структурная схема такого передатчика приведена на рисунке 5.

Рисунок 5. ? Структурная схема ЧМ передатчика с эталонным

генератором

Для построения передатчика НРС (согласно техническому заданию) воспользуемся подобной схемой, но уточним состав и количество входящих в неё блоков.

Так как обычно в передатчиках НРС возбудитель не предусматривают, то НЧ сигнал подается сразу на ГУН. Но для увеличения стабильности по частоте в качестве эталонного генератора в передатчике с ЧМ можно использовать кварцевый автогенератор. На варикап VD1 подается модулирующее напряжение U, на варикап VD2 - управляющее напряжение системы фазовой автоподстройки частоты. Разделение функций управления объясняется тем, что девиация частоты под влиянием модулирующего сигнала относительно невелика в сравнении с диапазоном подстройки ведомого генератора.

Умножители частоты включают в структуру передатчика для повышения устойчивости, но при этом из-за нелинейностей их АЧХ увеличиваются нелинейные искажения ЧМК в «n» раз, соответственно, где n - коэффициент умножения частоты.

В нашем случае, источником сигнала U является микрофон с последующим усилителем звуковой частоты (УЗЧ) Управление ГУН в этом случае также производится через два варикапа, на один из которых подаётся модулирующее напряжение U с выхода УЗЧ, а на другой варикап - управляющее напряжение системы ФАПЧ. Девиация частоты под действием модулирующего сигнала на выходе передатчика равна 20 кГц. Индекс модуляции:

где f - девиация частоты на выходе ГУН (или передатчика, в зависимости от того хотим ли мы получить индекс модуляции на входе или на выходе передатчика соответственно), а F в - верхняя частота спектра речевого сигнала т.е. F в = 3,4 кГц.

На выходе ГУН, как было сказано выше, сигнал имеет небольшую девиацию частоты 3 кГц и соответственно небольшой коэффициент модуляции:

а по техническому заданию передатчик должен обеспечить девиацию частоты как минимум f = 20 кГц.

Поделив полученный индекс модуляции на выходе передатчика на индекс модуляции на входе передатчика (выходе ГУН) можно определить во сколько раз необходимо произвести умножение частоты сигнала на входе передатчика для получения требуемой девиации частоты в 20 кГц сигнала на выходе передатчика:

С учетом того, что необходимо минимизировать число каскадов, а стандартный максимальный коэффициент умножения частоты одного каскада n = 4, то в нашем случае, число каскадов умножителей частоты получается k = 3, а коэффициент умножения частоты каждого каскада n = 2. При этом девиация частоты на выходе передатчика получится f = 3400 2 2 2 27,2 кГц. Мощность на выходе ГУН порядка 50 мВт. Выходная колебательная мощность нашего ЧМ передатчика по техническому заданию должна быть 10 Вт, следовательно, входной сигнал передатчика необходимо по мощности усилить в 200 раз. Оконечный же мощный каскад передатчика в соответствии с расчётами, (раздел 2. РАСЧЁТ ОКОНЕЧНОГО КАСКАДА) может обеспечить коэффициент усиления по мощности порядка К р 32. Умножив на КПД согласующей цепи (примерно 0,8) получим К рпол 25. Значит, необходимо обеспечить коэффициент усиления по мощности как минимум ещё в 8 раз, перед оконечным каскадом будут стоять еще 3 умножителя напряжения с коэффициентами усиления по мощности (с учетом потерь в согласующих цепях) порядка К р 2. После выше изложенных рассуждений, проводимых с целью обозначить необходимые составные части и объяснить назначение этих частей в структурной схеме, предлагается структурная схема передатчика НРС с ЧМ, вид которой показан на рисунке 6:

Рисунок 6. ? Структурная схема проектируемого ЧМ передатчика

Таким образом, структурная схема нашего ЧМ передатчика вместе с блоками уже имеющимися в схеме на рисунке 5 в своём составе дополнительно содержит:

· Микрофон, который обеспечивает преобразование речевого сообщения в электрический входной сигнал передатчика;

· Усилитель звуковой частоты, который обеспечивает усиление амплитуды сигнала поступающего с микрофона на управляющий варикап;

· Буферный каскад, необходимый для защиты ГУН, генератора частоты и системы ФАПЧ от влияния на них последующих каскадов;

· 3 умножителя частоты с коэффициентами умножения частоты n = 2, необходимые для обеспечения требуемой девиации частоты на выходе передатчика;

· усилитель мощности;

· цепь согласования, обеспечивающую согласование выходного сопротивления оконечного каскада передатчика с входным сопротивлением фидера 75 Ом на заданной частоте.