 |
Прием, передача радиоволн на примере обобщенных схем радиоприемника и радиопередатчика
|
|
|
|
Передача информации в пространстве с помощью радиоволн осуществлялась со времени изобретения радио в конце девятнадцатого века. В настоящее время интерес к радиосвязи возрос в связи с тенденцией отказа от проводов. Появился модный термин «беспроводная связь» (wireless), что является синонимом «радиосвязи».
Передают обычно речь, музыку, тексты, изображения и др. Эту информацию преобразуют в видеосигнал, т.е. зависимость тока или напряжения от времени. Видеосигнал может быть аналоговым, как в имеющихся и отживающих системах, либо цифровым – в новейших системах. В последнем случае аналоговый сигнал преобразуется в поток цифр, как правило, записанных в двоичном виде.
С этой целью осуществляется квантование аналогового видеосигнала по времени и уровню. В результате каждому дискретному моменту времени ставится в соответствие ближайший цифровой уровень. Поток цифр посредством импульсно – кодовой модуляции преобразуется в двоичный вид. В конечном итоге передаче подлежит поток единиц и нулей, представляющих собой начальную информацию.
Спектр видеосигнала, в какой бы форме он ни был представлен – аналоговой или цифровой – содержит весьма низкие частоты – порядка герц и килогерц. Такие частоты бесполезно излучать в пространство, поскольку, как это будет видно в дальнейшем, антенна излучает только в том случае, когда ее размеры соизмеримы с длиной излучаемой волны или больше ее.
Необходимо переместить спектр видеосигнала по оси частот вверх в тот диапазон, частоты которого эффективно излучаются. С этой целью необходимо осуществить две операции:
создать высокочастотное электромагнитное поле;
преобразовать видеосигнал в радиосигнал путем модуляции видеосигналом высокочастотных колебаний.
|
|
|
Эти операции выполняются в передатчике радиосистемы. Высокочастотные электромагнитные колебания называют несущими, поскольку они переносят информацию.
Ширину излучаемого спектра стремятся ограничить с тем, чтобы не создавать помехи другим станциям. С целью ограничения спектра видеосигнал подвергают специальной обработке – фильтрованию и кодированию.
В соответствии с основными функциями, выполняемыми передатчиком, его обобщенная схема приведена на рис.В.1.
 |
В приемную антенну радиосигнал поступает весьма ослабленным. Кроме него, в антенне имеются помехи, обусловленные внешними наводками, либо собственными шумами приемника, а так же сигналы других радиостанций. Задача приемника состоит в том, чтобы, во-первых, выделить полезный радиосигнал из помех, и во-вторых, извлечь из принятого сигнала переданную информацию. Выделение радиосигнала осуществляется фильтрованием, извлечение информации – демодуляцией.
Успешно отфильтровать помехи и мешающие сигналы можно в том случае, когда частота полезного сигнала невелика. С этой целью в приемниках предусмотрено понижение принятой несущей частоты до некоторой промежуточной, на которой и осуществляется основная фильтрация. Типичная блок – схема радиоприемника приведена на рис.В.2.
Преселектором является предварительный фильтр, настроенный на частоту полезного сигнала и устраняющий перегрузку усилителя высокой частоты (УВЧ). В схеме имеется преобразователь частоты, состоящий из смесителя и высокочастотного генератора, называемого гетеродином. На выходе преобразователя стоит фильтр, выделяющий промежуточную частоту и отфильтровывающий все мешающие сигналы.
Усиление слабых сигналов осуществляется на трех частотах: высокой – усилитель высокой частоты, промежуточной – усилитель промежуточной частоты (УПЧ) и низкой – усилитель низкой частоты (УНЧ), где усиливается выделенный видеосигнал. В результате, удается достигнуть весьма высокого усиления – от микровольт на входе до единиц вольт на выходе.
|
|
|
Оконечным устройством в приемнике может быть динамический громкоговоритель, наушники, цифровое устройство, экран и др.
Как можно заметить, в радиосистемах связи осуществляются следующие основные операции:
- генерирование электромагнитных колебаний несущей частоты;
- обработка видеосигнала;
- модуляция колебаний несущей частоты видеосигналом, т.е. образование радиосигнала;
- усиление мощности радиосигнала;
- преобразование частоты;
- демодуляция.
В настоящем пособии рассмотрены эти процессы. Существенное внимание уделено радиоволнам, их формированию, распространению и излучению.
Радиоволны
Электромагнитное поле
Радиоволны – это распространяющиеся в среде электромагнитные колебания, частоты которых лежат в диапазоне 3 кГц – 3 ТГц, что соответствует длинам волн в вакууме от 100 км до 0,1 мм. Электромагнитные волны есть форма существования электромагнитного поля, которое определяется следующими основными физическими величинами:
вектором напряженности электрического поля 
, В/м или Н/Кл;
вектором магнитной индукции 
,[Тесла].
Напряженность Е – это сила F, действующая со стороны электрического поля на тело, имеющее электрический заряд q = 1 Кл:
.
Магнитная индукция В – это сила Ампера 
, с которой магнитное поле действует на проводник длиной l = 1 м с током I = 1 А, при условии, что вектор перпендикулярен проводнику:
, Тл
Параметры среды
Условия распространения радиоволн в различных средах имеют особенности в зависимости от параметров среды. Для распространения радиоволн важны следующие параметры:
Абсолютная диэлектрическая проницаемость
,
где е’-относительная диэлектрическая проницаемость, 
, е0= 
Ф/м -диэлектрическая постоянная. Относительная диэлектрическая проницаемость е’ показывает, во сколько раз уменьшается напряженность электрического поля в среде по сравнению с вакуумом;
Абсолютная магнитная проницаемость
|
|
|
,
где м’-относительная магнитная проницаемость, 
Гн/м, для ферромагнитных сред 
>>1. Относительная магнитная проницаемость м’ показывает, во сколько раз увеличивается магнитная индукция B в магнитной среде, по сравнению с вакуумом;
Удельная электропроводность g - это коэффициент пропорциональности между плотностью тока проводника 
и напряженностью электрического поля :
(1.1)
Уравнение (1.1) - это закон Ома в дифференциальной форме.
Дополнительные векторы электромагнитного поля
Наряду с основными физическими величинами и , характеризующими поле, применяют дополнительные:
вектор электрической индукции 
:
, Кл/м2;
вектор напряженности магнитного поля:
, А/м.
При изучении распространения радиоволн обычно применяется пара векторов и 
, поскольку уравнения поля получаются симметричными.
Скалярные величины, характеризующие электромагнитное поле
Наряду с векторами, для описания поля применяют скалярные величины:
1) потенциал электрического поля
где 
- потенциальная энергия заряда q в электрическом поле;
2) магнитный поток
, Веб,
где интеграл от скалярного произведения векторов и 
берётся по замкнутой поверхности S.
1.2 Уравнения Максвелла
Теория электромагнитного поля основана на уравнениях Максвелла, которые он сформулировал в «Трактате по электричеству и магнетизму», опубликованном в 1873 г.
При выводе уравнений электромагнитного поля Максвелл использовал результаты исследований статических (т.е. постоянных во времени) электрического и магнитного полей (см. Приложение 1). Известные уравнения статических полей Максвелл развил применительно к переменному электромагнитному полю, благодаря двум идеям (Приложение 2):
1) возникновение замкнутых силовых линий напряженности электрического поля вокруг линий магнитной индукции при условии, что величина B меняется со временем (это следует из закона электромагнитной индукции Фарадея);
2) введению понятия «плотность тока смещения»
,
Отсюда следует, что замкнутые линии вектора магнитной индукции возникают не только вокруг вектора плотности тока проводимости (т.е. вокруг траектории движущихся электрических зарядов), но и вокруг силовых линий , если E меняется во времени.
|
|
|
Число уравнений Максвелла было сокращено Г.Герцем и О.Хевисайдом, по сравнению с тем, что было написано в трактате, они привели их к современному компактному виду. В настоящее время принята следующая запись уравнений Максвелла..
Дифференциальная формаИнтегральная форма
; 
;
; 
;
; 
;
; 
.
Здесь Iпр - ток проводимости:
,
где в правой части – интеграл по замкнутой поверхности S от скалярного произведения векторов и ; с - плотность электрического заряда q:
.
Ротор и дивергенция векторов
Ротор вектора 
– это вектор, который в декартовой системе координат может быть записан в виде определителя:
,
где 
, 
, 
- векторы величиной 1, направленные по осям x, y, z; Hx, Hy, Hz - проекции вектора на оси координат.
Дивергенция вектора 
– это скалярная величина, вычисляемая в декартовой системе координат по формуле
где 
, 
, 
– проекции вектора 
на соответствующие оси.
Геометрический смысл уравнений Максвелла в дифференциальной форме следующий. Ротор вектора – это ось, вокруг которой закручиваются замкнутые линии соответствующего поля. Из первого уравнения Максвелла следует, что такой осью для магнитного поля являются линии плотности тока проводимости или линии напряженности электрического поля , если E меняется со временем.
Осью возникающих замкнутых линий электрического поля являются силовые линии магнитного поля , при условии, что H зависит от времени. Это следует из второго уравнения Максвелла.
Дивергенция вектора – это точка в пространстве, откуда начинаются незамкнутые силовые линии поля. Как видно из третьего уравнения Максвелла, незамкнутые силовые линии напряженности электрического поля начинаются в точках, где есть электрические заряды. Из четвертого уравнения Максвелла следует, что незамкнутых линий напряженности магнитного поля не существует.
Решая уравнения Максвелла в различных средах, можем найти 6 проекций векторов и : , , , 
, 
, 
.
|
|
|
