Романюк В.А. Основы радиосвязи. Учебное пособие В. А. Романюк

• Название: Учебное пособие В. А. Романюк
• Анкор: Романюк В.А. Основы радиосвязи.doc
• Дата: 16.03.2018
• Размер: 1.41 Mb.
• Имя файла: Романюк В.А. Основы радиосвязи.doc
• Тип: Учебное пособие; #16756
• страница: 1 из 7

Министерство образования и науки Российской Федерации

Московский государственный институт электронной техники (технический университет)

Основы радиосвязи

Учебное пособие

В.А.Романюк


Настоящая методическая разработка выполнена в рамках инновационной образовательной программы МИЭТ «Современное профессиональное образование для российской инновационной системы в области электроники»

Москва 2007

Аннотация
В пособии изложены механизмы работы систем и устройств радиосвязи. Значительной внимание уделено радиоволнам – их генерированию, излучению, распространению в различных средах, линиях передачи и околоземном пространстве. Приведены основные характеристики и параметры антенн, передатчиков и приемников. Описаны процессы, происходящие в связных радиосистемах: генерирование электромагнитных колебаний, формирование радиосигналов, усиление их мощности, выделение слабых сигналов из помех, преобразование частоты, детектирование.

Приведены основные данные о радиосистемах, их дальности действия, помехоустойчивости, способах оптимального приема. В последнем разделе описаны современные системы и стандарты радиосвязи.
2. 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.

Рис.В.1. Обобщенная схема радиопередатчика





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.

Рис.В.2. Блок – схема радиоприемника





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.
3. Радиоволны
3.1 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 : , , , , , .
1.3 Радиоволны в идеальном диэлектрике без зарядов
Идеальный диэлектрик – такой диэлектрик, в котором нет токов, т.е. в соответствии с (1.1), проводимость g=0. Если для упрощения решения принять, что в диэлектрике нет зарядов, т.е. q =0 (или с = 0), а электромагнитное поле меняется только вдоль одной координаты z, в то время, как
, ,
то решение уравнений Максвелла приводит к волновым уравнениям для 2 – х проекций векторов напряженности и , сдвинутых в пространстве на 90o; например, для проекций и - см. Приложение 3:
(1.2,а).
(1.2,б).
Решением уравнений (1.2) являются волновые функции , и , , где и - прямые волны, распространяющиеся вдоль оси z, а и - обратные волны, бегущие в противоположном направлении. В полученных решениях применено обозначение
(1.3)
Параметр v имеет размерность м/с и является скоростью распространения волны. Для вакуума , и v = c = 3*108 м/с. В любой среде, где и , скорость электромагнитной волны
(1.4)
В Приложении 3 записана связь и :
(1.5)
Величина

имеет размерность Ом и называется волновым сопротивлением среды. В вакууме
Ом.