Принцип стереофонического вещания.

 

Стереофоническое радиовещание ведется в метровом диапазоне волн, выбор которого продиктован малым уровнем помех и возможностью передачи и приема широкой полосы частот. Диапазон волн для частотно-модулирован­ного вещания в России установлен от 4,1 до 4,56 м (УКВ), что соответствует частотам от 73 до 65,8 МГц. Высокочастотный стерео­сигнал, поступающий на вход стереоприемннка, представляет собой несущую частоту, модулируемую по частоте сложным комплексным стереосигналом (Рис. 53.).

 

Рис. 53. Комплексный стереосигнал.

F_п – поднесущая частота, F₁- звуковая частота канала А, F₂ – звуковая частота канала В.

 

Комплексный стереосигнал имеет широкий спектр модулирующих частот, состоящих из тональных и надтональных сигналов.

Тональные сигналы представляют собой сумму сигналов звуковой частоты, получаемых от двух микрофонов (двух каналов: А и В). Канал А передает звуковую информацию в основном от левого микрофона, а канал В — от правого микрофона. Тональный сигнал имеет спектр звуковых частот от F_min = 30 Гц до F_max = 15000 Гц и при детектировании частотно-модулированного сигнала может быть принят на обычный монофонический приемник.

Надтональный сигнал представляет собой вспомога­тельную, так называемую поднесущую частоту, амплитудно-модулированную частотами каналов А и В. Положительные полупериоды сигналов поднесущей частоты f_п, модулируются звуковой частотой F₁ канала А, а отрицательные полупериоды — звуковой частотой F₂ канала В. Такая модуляция поднесущей частоты называется полярной модуляцией и имеет вид, показанный на рис. 53. Поднесущую частоту выбирают из условия, что она должна быть не менее чем в два раза больше максимальной частоты модуляции. При верхней частоте модуляции, равной 15 000 Гц, поднесущая частота должна быть не менее 30 кГц. В отечественной системе стереофонического радиовеща­ния с полярной модуляцией поднесущая частота выбрана равной 31,25 кГц. Таким образом, при поднесущей частоте 31,25 кГц спектр надтональной части комплексного стереосигнала будет иметь непре­рывную полосу частот от f_п — F_{м max} до f_п + F_{м min}, или от 31,25 - 15 = 16,25 до 31,25 - 15 = 46,25 кГц. Дальнейшее повышение поднесущей частоты нецелесообразно, так как при этом расширяется спектр частот, занимаемый стереосигналом. Максимальный коэффи­циент амплитудной (полярной) модуляции поднесущей частоты состав­ляет 80%.

При частотной модуляции несущей частоты комплексным стерео­сигналом спектр частот передатчика более широкий, чем при моно­фонической радиопередаче. В связи с этим полоса пропускания тракта промежуточной частоты стереофонических приемников должна быть больше, чем у монофонических приемников, и равна 190 кГц. Кроме того, для неискаженного приема стереофонического сигнала необхо­димо сохранить фазовые и амплитудные соотношения между сигналами с частотами F₁ и F₂. Передача поднесущей частоты, которая не несёт полезной ин­формации, приводит к уменьшению дальности приема передающей станции, работающей в метровом диапазоне, так как девиация частоты передатчика ±50 кГц распределяется поровну между сигналом под­несущей частоты и звуковым сигналом. Вследствие этого при приеме стереопередачи на обычный приемник метрового диапазона громкость уменьшилась бы вдвое. Для обеспечения малого различия громкости стерео- и монофонических передач на передающей станции произво­дится подавление поднесущей частоты в пять раз (на 14 дБ). В этом случае громкость приема стереофонических передач уменьшается лишь на 2 дБ (в 1,26 раза), что практически не ощущается.

 

Принцип цифровой связи.

Системы цифровой связи становятся всё более привлекательными вследствие постоянно растущего спроса, а также из-за того, что цифровая передача предлагает широкие возможности обработки информации, не доступные при использовании аналоговых способов передачи. Отличительной особенностью систем цифровой связи является то, что они посылают сигнал, состоящий из конечного набора элементарных сигналов. Задачей приёмника является не точное воспроизведение переданного сигнала, а определение, какой именно сигнал из конечного набора был передан. В системах же аналоговой связи сигнал состоит из бесконечного множества элементарных сигналов. Основным преимуществом цифровой связи является лёгкость восстановления цифровых сигналов по сравнению с аналоговыми.

При цифровой связи вся передаваемая информация представляется в двоичной системе счисления, где используется всего два символа – ноль и единица. Следовательно, цифровой канал даёт значимый сигнал при работе в одном из двух состояний – включенном и выключенном. Двоичная информация в электронном виде выражается в виде прямоугольного импульса. При распространении сигнала по каналу связи происходит изменение, как формы, так и амплитуды импульса. На форму сигнала влияют два основных фактора: во-первых, неидеальность амплитудно-частотной характеристики канала связи и линии передачи и во-вторых, нежелательные электрические шумы или другое воздействие со стороны источников помех. Чем протяжённее канал связи, тем существеннее влияние этих факторов и сильнее искажается импульс (рис.54).

Рис. 54. Искажение и восстановление импульса. 1 – исходный импульсный сигнал, 2 – некоторое искажение сигнала, 3 – искажённый сигнал, 4 – сильно искажённый сигнал, 5 – восстановленный сигнал.

 

  Наличие всего двух состояний облегчает восстановление сигнала и, следовательно, предотвращает накопление в процессе передачи шумов или других возмущений. Возмущение должно быть достаточно большим, чтобы перевести рабочую точку канала из одного состояния в другое. Восстановление сигнала осуществляется в регенеративных ретрансляторах, расположенных на определённом расстоянии друг от друга. Аналоговые сигналы, наоборот, не являются сигналами с двумя состояниями, они могут принимать бесконечное множество форм. В аналоговом канале даже небольшое возмущение может неузнаваемо исказить сигнал.

Цифровые каналы связи надёжнее и могут производиться по более низким ценам, чем аналоговые. Кроме того, цифровое программное обеспечение допускает более гибкую реализацию, чем аналоговые (например, использование микропроцессоров, цифровых коммутаторов и больших интегральных схем. При передаче и коммутации различные типы цифровых сигналов (данные, телеграф, телефон, телевидение) могут рассматриваться как идентичные: ведь бит – это всегда бит. Кроме того, для удобства коммутации и обработки, цифровые сообщения могут группироваться в автономные единицы, называемые пакетами.

К недостаткам цифровой связи можно отнести тот факт, что цифровые системы требуют более интенсивной обработки, чем аналоговые. Кроме того, для цифровых систем необходимо выделение значительной части ресурсов для синхронизации на различных уровнях. Еще одним недостатком цифровой связи является, то, что ухудшение качества носит пороговый характер. Если отношение сигнал/шум падает ниже некоторого порога, качество обслуживания может скачком измениться от очень хорошего до очень плохого. В аналоговых же системах ухудшение качества происходит плавно.

На рисунке 55 представлена упрощённая функциональная схема, которая иллюстрирует распространение сигнала и этапы его обработки в типичной системе цифровой связи.

 

Рис. 55. Упрощённая функциональная схема цифровой связи.

1 – форматирование, 2 – импульсная модуляция, 3 – полосовая модуляция, 4 – передатчик, 5 – приёмник, 6 – демодуляция и дискретизация, 7 – детектирование, 8 – форматирование.

 

Любая информация даваемая источником информации подвергается форматированию, в процессе чего исходная информация преобразовывается в биты, чем обеспечивается совместимость информации и функций обработки сигналов с системой цифровой связи. Информация приобретает форму потока битов. Биты группируются в цифровые сообщения или символы сообщений.

Импульсная модуляция – это процесс, посредством которого символы сообщений преобразуются в сигналы, совместимые с требованиями, налагаемыми каналом передачи данных. Каждый символ, который необходимо передать, вначале нужно преобразовать из двоичного представления (уровни напряжений представляются двоичными нулями и единицами) в видеосигнал, т. е. модулированный сигнал. Термин «видеосигнал» определяет сигнал, спектр которого начинается от постоянной составляющей и заканчивается значением в несколько мегагерц.

После импульсной модуляции каждый символ сообщения или канальный символ принимает форму полосового сигнала. Это преобразование называется полосовой модуляцией. Она необходима всегда, когда среда передачи не поддерживает распространение сигналов, имеющих форму импульса. Термин «полосовой» используется для отражения того, что видеосигнал сдвинут несущей волной на частоту, которая гораздо больше частоты спектральных составляющих самого видеосигнала.

Далее сигнал проходит канал связи, причём связь между входным и выходным сигналами канала полностью определяется импульсной характеристикой канала связи. Кроме того, в различных точках вдоль маршрута передачи дополнительные случайные шумы искажают сигнал, так что на входе приёмника сигнал отличается от переданного.

При обработке полученного сигнала в принимающем устройстве входной каскад приёмника или демодулятор обеспечивают понижение частоты каждого полосового сигнала. В качестве подготовки к детектированию демодулятор восстанавливает сигнал в виде оптимальной огибающей видеосигнала. Обычно с приёмником и демодулятором связано несколько фильтров. Фильтрование производится для удаления нежелательных высокочастотных составляющих и формирования импульса.

В результате детектирования выделяются символы сообщений, которые после форматирования передаются получателю информации и исходной форме. При передачи аналоговой информации по цифровым каналам связи в качестве узлов форматирования применяются аналогово-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.

Блоки модуляции и демодуляции/детектирования вместе называются модемом. Термин “модем” часто объединяет несколько этапов обработки сигналов.

 

Основная терминология цифровой связи.

Источник информации. Устройство, передающее информацию. Источник информации может быть аналоговым или дискретным. Источник аналоговой информации преобразуются в источники цифровой информации посредством дискретизации или квантования. Метод дискретизации называется форматированием, а метод квантования называется кодированием источника.

Текстовое сообщение. Последовательность символов. При цифровой передаче данных сообщение представляет собой последовательность цифр или символов, принадлежащих конечному набору символов или алфавиту.

Знак. Элемент алфавита или набора символов. Знаки могут представляться последовательностью двоичных цифр. Существует несколько стандартных кодов, используемых для знакового кодирования, в том числе код ASCΙΙ – Американский стандартный код для обмена информацией.

Двоичная цифра (бит). Фундаментальная единица информации для всех цифровых систем.

Поток битов. Последовательность двоичных цифр (нулей и единиц). Поток битов часто называют видеосигналом, или низкочастотным сигналом. Это подразумевает, что его спектральные составляющие размещены от (или около) постоянной составляющей до некоторого конечного значения, обычно не превышающего несколько мегагерц.

Символ (цифровое сообщение). Символ – это группа из нескольких бит, рассматриваемая как единое целое.

Цифровой сигнал. Описываемый уровнем напряжения или силы тока, сигнал, представляющий цифровой символ. Характеристики сигнала (для импульсов – амплитуда, длительность и положение, а для синусоиды – амплитуда, частота и фаза) позволяют идентифицировать его как один из символов конечного алфавита.

 

 

Раздел 4. РЕАЛИЗАЦИЯ УЗЛОВ РАДИОВЕЩАТЕЛЬНОГО ПРИЁМИКА.

Входная цепь.

Входной цепью радиоприёмника называется электрическая цепь, связывающая антенну с входом первого каскада. Она представляет собой избирательное устройство, состоящее из колебательного контура или системы колебательных контуров. За счёт резонансных свойств контура входная цепь выделяет из совокупности сигналов поступающих от антенны радиосигнал той частоты, на которую она настроена. Входная цепь обеспечивает предварительную частотную селекцию (избирательность) по соседнему каналу. Если в приёмнике отсутствует усилитель радиочастоты, то входная цепь обеспечивает основную избирательность по зеркальному каналу и по промежуточной частоте.

 Основными качественными показателями входной цепи являются:

1. Коэффициент передачи напряжения.

2. Диапазон рабочих частот.

3. Частотная избирательность.

4. Полоса пропускания.

5. Непостоянство качественных показателей.

6. Степень влияния антенны на показатели входной цепи.

Входные цепи радиоприёмников различаются видом связи с антенной, которая может быть ёмкостной, индуктивной и комбинированной. Наиболее часто используется индуктивная (трансформаторная) связь, схема которой приведена на рисунке 55.

 

На рисунке 56 L_св - катушка индуктивной связи антенны с входным контуром, L_к – катушка входного контура, С_к – конденсатор входного контура, обеспечивающий настройку контура на частоту радиостанции, С_п – подстроечный конденсатор, необходимый для регулировки приёмника на заводе.

 

В приёмниках переносного типа, а иногда и в стационарных приёмниках, применяют магнитные антенны. Внутри контурной катушки помещён ферритовый стержень круглого или прямоугольного сечения (Рис. 47). Магнитная антенна имеет направленные свойства. Радиостанции, расположенные на линии перпендикулярной оси сердечника антенны, будут давать наибольший по величине сигнал, а сигналы других радиостанций будут ослабляться. Обычно магнитные антенны применяются в диапазонах длинных и средних волн.

В переносных приёмниках с диапазонами коротких и ультракоротких волн используются телескопические штыревые антенны.

 

Усилитель радиочастоты.

Усилитель радиочастоты следует непосредственно за входной цепью приёмника и выполняет несколько функций. Основными функциями являются следующие: усиление принимаемых сигналов на несущей частоте, необходимое для увеличения реальной чувствительности приёмника; обеспечение избирательности по зеркальному каналу и на промежуточной частоте; ослабление паразитного излучения гетеродина через входную цепь и антенну. Усилитель радиочастоты может быть как резонансным, так и апериодическим (рис. 57). Апериодический усилитель не содержит колебательного контура и поэтому избирательностью не обладает. Усилитель радиочастоты применяются в радиоприёмниках высокого класса.

Рис. 57. Пример схемы резонансного усилителя радиочастоты.

 

Преобразователи частоты.

Характерным элементом супергетеродинного приёмника является преобразователь частоты, расположенный за входной цепью или за усилителем радиочастоты. В преобразователе частоты происходит преобразование принимаемых радиоприёмником колебаний, одной частоты в колебания другой частоты при сохранении параметров модуляции. При этом соотношение между составляющими спектра модулированного колебания не нарушается. Частота сигнала, получаемая после преобразования, называется промежуточной. Одновременно с преобразованием частоты происходит усиление или ослабление принимаемого сигнала, а также выделение промежуточной частоты из спектра выходного тока преобразовательного прибора (транзистора).

Преобразователь частоты содержит два узла – гетеродин и смеситель. Гетеродином называется маломощный генератор незатухающих колебаний. Он строится на транзисторе включенном по схеме с общим эмиттером или с общей базой и охваченном положительной обратной связью. При достаточно глубокой положительной обратной связи каскад возбуждается, и в нём возникают незатухающие колебания. Частота генерируемых колебаний зависит от параметров цепи обратной связи. В гетеродинах радиовещательных приёмников в цепи коллектора или в цепи базы транзистора включают колебательный контур, который и определяет частоту генерируемых колебаний. Форма колебаний зависит от глубины положительной обратной связи. Чем глубже связь, тем сильнее перегружается каскад и тем сильнее форма колебаний отличается от синусоидальной. К форме генерируемых гетеродином колебаний предъявляются достаточно жёсткие требования. Дело в том, что несинусоидальное колебание содержит кроме основной гармоники другие составляющие. Эти высшие гармонические составляющие в преобразователе частоты приведут к возникновению дополнительных каналов помех. По этим причинам глубину положительной обратной связи в гетеродине выбирают минимальной, но достаточной для возникновения устойчивой генерации.

Смеситель – это усилительный каскад с нелинейными параметрами. Параметры смесителя меняются под действием напряжения гетеродина. Смеситель имеет два входа и один выход. На его входы подаются напряжения радиосигнала от входной цепи или от усилителя радиочастоты, а также сигнал гетеродина. В результате воздействия этих двух сигналов на нелинейную систему смесителя возникают суммарные и разностные комбинационные колебания:  и , при условии f_г > f_c. В коллекторную цепь смесительного каскада включают колебательный контур, настроенный на промежуточную частоту. С целью упрощения процесса сопряжения настроек колебательных контуров входной цепи и гетеродина частота гетеродина выбирается выше частоты сигнала. При перестройке приёмника с одной радиостанции на другую должны меняться частота, как входного контура, так и контура гетеродина. Причём разность этих частот, всегда должна оставаться постоянной и равной промежуточной частоте приёмника. Процесс согласования настроек этих контуров и называется сопряжением настроек колебательных контуров. Сопряжение настроек контуров дистигается включением в колебательный контур гетеродина дополнительных конденсаторов, которые называются сопрягающими.

Преобразователь частоты может быть построен по одной из двух схем: с отдельным гетеродином и с совмещённым гетеродином. Во втором случае смеситель и гетеродин выполняются на одном транзисторе (рис. 58 и 59).

Рис. 58. Принципиальная схема преобразователя частоты с отдельным гетеродином.

VT1 – транзистор смесителя, VT2 – транзистор гетеродина, L2, L4, L6 – катушки связи, С1 – конденсатор настройки приёмника, С2, С4 – сопрягающие конденсаторы, L3, С1, С2, С3, С4 – колебательный контур гетеродина, L5, С10 – нагрузка преобразователя, R7, С11 – фильтр в цепи питания смесительного каскада, L7 – высокочастотный дроссель.

 

Рис. 59. Принципиальная схема преобразователя частоты с совмещённым гетеродином.

L1, C1, C3 – входной контур, L2 – катушка связи, L5, С9, С10, С11, С12 – колебательный контур гетеродина, С9, С10, С11 – сопрягающие конденсаторы, L4 – катушка положительной обратной связи, С4 – конденсатор связи гетеродинного контура с эмиттерной цепью транзистора VT1, L3, С5 и L6, С8 – Колебательные контуры фильтра сосредоточенной избирательности (связь между контурами фильтра ёмкостная), С7 – конденсатор связи контуров ФСИ, R4, C6 – развязывающий фильтр в цепи питания преобразователя, L7 – катушка связи ФСИ с первым каскадом УПЧ, С1 и С12 – сдвоенный блок конденсаторов переменной ёмкости, обеспечивающий настройку приёмника на частоту радиостанции.

 

В современных радиоприёмниках для построения различных узлов, в том числе и преобразователей частоты, могут применяться интегральные микросхемы.