Принципы построения средств авиационной радиосвязи

Основными элементами каналов радиосвязи являются радиопередающие и радиоприемные устройства.

Радиопередающее устройство предназначено для преобразования передаваемого сообщения в радиосигнал заданного класса излучения в заданном диапазоне частот и заданной мощности и излучения формируемой радиоволны в заданном пространственном направлении.

Сообщение {x}, для передачи его по каналу радиосвязи, преобразуется в ОА в первичный электрический сигнал a(t), по закону изменений которого в радиопередатчике формируется радиосигнал s(t) заданного класса излучения в заданном диапазоне частот и заданной мощности, подаваемый затем в антенно-фидерную систему (АФС), которая излучает радиоволны в заданном пространственном направлении.

Структурная схема радиопередающего устройства приведена на рис. 7.1.

{x} a(t) s(t)

		АФС
		ОА
	ИИ			Радиопередатчик

Рис.3.1. Структурная схема радиопередающего устройства

Радиоприемное устройство предназначено для приема антенной электромагнитного излучения с заданного пространственного направления, преобразования его в принимаемый радиосигнал u(t) и передачи его по фидеру на вход радиоприемника, в котором осуществляется выделение из принимаемого радиосигнала полезного радиосигнала и преобразования его в принимаемый первичный электрический сигнал b(t), подаваемый далее в приемную ОА, преобразующую сигнал в принятое сообщение {y}.

Структурная схема радиоприемного устройства приведена на рис. 7.2.

u(t) b(t) {y}

	АФС		Радиоприемник

Рис.3.2. Структурная схема радиоприемного устройства

Основными средствами канала радиосвязи являются радиопередатчики, радиоприемники и антенно-фидерные системы.

Радиопередатчик

Назначение и основные задачи, решаемые радиопередатчиком. Радиопередатчик предназначен для формирования высокостабильных радиосигналов заданного класса излучения, заданной мощности в заданном диапазоне частот.

Из предназначения радиопередатчика следуют и основные решаемые им задачи:

· формирование высокостабильных колебаний требуемой частоты;

· формирование радиосигнала путем модуляция высокочастотных колебаний первичным электрическим сигналом;

· усиление сформированного радиосигнала до заданного уровня мощности;

· согласование выхода радиопередатчика с АФС.

В современных профессиональных радиопередатчиках, как правило, формирование высокостабильных колебаний требуемой частоты и формирование радиосигнала осуществляется в возбудителях радиопередатчиков. Исключение составляют радиопередатчики, предназначенные для формирования радиосигнала одного определенного класса излучения. Далее сформированный радиосигнал s^*(t) подается в усилительный тракт (УТ), где он усиливается до требуемой мощности. Для согласования выхода УТ с АФС используется устройство согласования и симметрирования (УСС), обеспечивающее согласование УТ и АФС по сопротивлению и, если надо, по симметрии. Например, согласование симметричного двухтактного выходного каскада УТ с коаксиальным фидером, или несимметричного однотактного выходного каскада УТ с симметричным фидером. С выхода УСС радиосигнал s(t) подается на вход АФС.

Исходя из назначения радиопередатчика и стоящих перед ним задач, обобщенную структурную схему радиопередатчика можно представить в виде, приведенном на рис. 7.3.

Остановимся более подробно на отдельных элементах структурной схемы радиопередатчика.

Возбудитель радиопередатчика формирует радиосигнал s^*(t) заданного класса излучения в заданном диапазоне частот. Так как при формировании радиосигнала s^*(t) используются нелинейные преобразования, как при формировании сетки рабочих частот, так и при модуляции, то для уменьшения побочных излучений эти преобразования проводятся сигналами малых уровней и мощность сигнала на выходе возбудителя составляет сотые доли ватта.

Возбу-дитель

УСС

ОУ

ПОУ

ПрУ

a(t) s^*(t) s(t)

от ОА к АФС

Усилительный тракт

Радиопередатчик

		ИП		ПДУ		САН		СО		СБС

Рис.3.3. Обобщенная структурная схема радиопередатчика

Обобщенная структурная схема возбудителя приведена на рис. 7.4.

a(t)

БФС

БПС

s^*(t)

от ОА к УТ

. . .

Синтезатор

Рис. 3.4. Обобщенная структурная схема возбудителя

Основными элементами возбудителя являются синтезатор частоты, состояший из опорного генератора и блока опорных частот, блок формирования сигнала и блок преобразования сигнала.

Опорный генератор (ОГ) служит для получения высокостабильной опорной частоты.

Синтезатор частоты предназначен для образования сетки высокостабильных опорных частот, необходимых для формирования высокостабильного радиосигнала заданного класса излучения в заданном диапазоне частот.

Усилительный тракт (УТ) состоит из предварительного усилителя (ПрУ), собранного по схеме усилителя напряжения, и предоконечного (ПОУ) и оконечного усилителей (ОУ), собранных по схеме генератора с внешним возбуждением или усилителя тока.

Предварительный (или промежуточный) усилитель предназначен для усиления радиосигнала s^*(t) до уровня, необходимого для нормальной работы предоконечного усилителя и для ослабления влияния на работу возбудителя возможных регулировок в мощных каскадах передатчика.

Предоконечный усилитель предназначен для усиления сигнала до уровня, необходимого для возбуждения оконечного усилителя.

Оконечный усилитель, называемый усилителем мощности, усиливает сигнал до заданного уровня мощности. Главным требованием к усилителю мощности является обеспечение высокого коэффициента полезного действия.

Устройство согласования и симметрирования (УСС) предназначено для фильтрации высокочастотных колебаний и для согласования выхода оконечного усилителя с антенно-фидерной системой (АФС) для обеспечения условий максимальной передачи мощности с выхода радиопередатчика в антенну.

Кроме элементов, определяющих формирование заданного сигнала, в состав радиопередатчиков входят источник питания, пульт дистанционного управления, система автоматической настройки, система охлаждения и система блокировки и сигнализации.

Источник питания (ИП) обеспечивает формирование и подведение ко всем элементам радиопередатчика электропитания, необходимого для их нормальной работы.

Пульт дистанционного управления (ПДУ) предназначен для дистанционного управления включением/выключением передатчика, классами излучения сигналов, формируемых передатчиком, частотой излучения и др.

Система автоматической настройки (САН) обеспечивает настройку колебательных контуров (систем) в перестраиваемых каскадах усилительного тракта и в УСС.

Система охлаждения (СО) обеспечивает необходимый тепловой режим работы усилителя мощности и УСС.

Система (устройство) блокировки и сигнализации (СБС) предназначено для сигнализации о выходе из режимов мощных каскадов передатчика, определяет порядок включения высоких напряжений, отключает электропитание при возможности аварийной ситуации (защита передатчика) или при выдвижении блоков усилителя мощности и УСС (защита персонала).

входящих в их состав транзисторов, ламп и прочих электронных элементов, а также систем автоматического управления, устройств защиты от аварийных режимов и прочих вспомогательных цепей и устройств. Система электропитания содержит выпрямители, электромашинные генераторы с двигателями внутреннего сгорания, аккумуляторы, инверторы (преобразователи) низкого постоянного напряжения в более высокое или обратно, трансформаторы, коммутационную аппаратуру, резервные источники питания и устройства для автоматического перехода с основного источника на резервный в случае неисправностей и т.п.

На рисунке 1.4 не показаны многочисленные объекты вспомогательного оборудования, входящие в состав передатчика (особенно мощного), например, средства автоматического и дистанционного управления; контрольно-измерительные приборы, устройства дистанционного контроля и сигнализации; устройства защиты и блокировки, выключающие цепи высокого напряжения при аварийных режимах или опасности для обслуживающего персонала и др.

Радиопередатчики диапазонов километровых, гектометровых и декаметровых волн обычно размещаются группами на специальных предприятиях – передающих радиостанциях. При большом числе передатчиков радиостанции называются радиоцентрами. Радиовещательные передатчики метровых и дециметровых волн, кaк правило, размещаются вместе с передатчиками телевизионного вещания. Предприятия связи, на которых установлены эти передатчики, называются радиотелевизионными передающими станциями (центрами).

Технические показатели радиопередатчиков.К основным показателям радиопередатчика относятся: диапазон волн, мощность, коэффициент полезного действия, вид и качество передаваемых сигналов.

В соответствии с классификацией волн различают передатчики километровых, гектометровых, декаметровых и других волн. С этим различием связаны соответствующие особенности конструкций, так как в разных диапазонах различны конструкции колебательных контуров и типов усилительных элементов. Передатчик может работать на одной или нескольких выделенных для него фиксированных волнах, либо он может настраиваться на любую длину волны в непрерывном диапазоне волн.

Мощность передатчика обычно определяется как максимальная мощность высокочастотных колебаний, поступающая в антенну при отсутствии модуляции, при непрерывном излучении. Однако этой характеристики недостаточно для оценки мощности радиопередатчика. Дело в том, что в технике радиосвязи часто приходится иметь дело с сигналами, напряжение которых изменяется в очень широких пределах и в сравнительно короткие промежутки времени может принимать значения, в несколько раз превосходящие средний уровень. Характерным примером подобного режима может служить радиолокационный передатчик, излучающий импульсы длительностью около 1 мксек, разделенные интервалами около 1 мсек, т.е. в 1000 раз большей длительности. Если бы при проектировании передатчика расчет велся на то, что в моменты этих выбросов мощность излучения соответствовала бы номинальной мощности, то фактическая средняя мощность излучения была бы во много раз меньше. Передатчик был бы использован значительно слабее своих возможностей, а при необходимости обеспечить большую дальность радиосвязи потребовалось бы применить передатчик значительно большей мощности.

В системах радиовещания промежутки времени, в которые амплитуда колебаний достигает максимальных значений, занимают обычно большую часть общего времени работы передатчика (например, 10-20%), длительность их доходит до десятков миллисекунд, но и в этом случае описанное временное форсирование передатчика возможно, хотя и в меньших пределах.

В соответствии с изложенным мощность передатчика, помимо цифры максимальной мощности, при непрерывной работе характеризуют значениями пиковой мощности, которая может быть обеспечена в течение ограниченных промежутков времени. Например, если средняя мощность передатчика при непрерывной работе 100 кВт, то она может доходить до 200 кВт, если длительность импульсов не превышает интервалов между ними.

Важнейшими показателями радиопередатчика являются стабильность излучаемой им частоты и уровень побочных излучений. Дело в том, что если строго соблюдается присвоенная данному передатчику частота сигнала, то настроенный на эту частоту приемник начинает принимать передаваемые сигналы тотчас после включения, не требуя подстроек; это способствует удобству эксплуатации и высокой надежности радиосвязи, а также облегчает автоматизацию оборудования. Кроме того, частотные диапазоны, используемые для радиосвязи и вещания, переуплотнены сигналами одновременно работающих радиостанций, поэтому если частота передатчика отличается от разрешенного значения, то она может приблизиться к частоте другого передатчика, что вызовет помехи приему его сигналов.

По существующим международным нормам отклонение от номинала частоты передатчика для радиосвязи на гектометровых волнах не должно превышать 0,005%; для радиовещательных передатчиков отклонение частоты в этом диапазоне не должно превышать 10 Гц. На декаметровых волнах допустимая нестабильность частоты для передатчиков мощностью более 0,5 кВт равна 15·10 ^{- 6}, что соответствует в диапазоне от 4 до 30 МГц абсолютному отключению частоты от 60 до 450 Гц. Некоторые системы радиосвязи по своему принципу требуют, чтобы стабильность частоты была значительно лучше, чем предусматривается указанными нормами.

Побочными излучениями радиопередатчика называются излучения на частотах, расположенных за пределами полосы, которую занимает передаваемый радиосигнал. К побочным излучениям относятся гармонические излучения передатчика, паразитные излучения и вредные продукты взаимной модуляции.

Гармоническими излучениями (гармониками) передатчика называются излучения на частотах, в целое число раз превышающих частоту передаваемого радиосигнала.

Паразитными излучениями называются возникающие иногда в передатчиках колебания, частоты которых никак не связаны с частотой радиосигнала или с частотами вспомогательных колебаний, используемых в процессе синтеза частот, модуляции и других процессов обработки сигнала.

Известно, что при действии в нелинейной цепи, например, двух ЭДС с частотами f ₁ и f ₂ спектр тока содержит, помимо составляющих с этими частотами и их гармоник, также составляющие с частотами вида mf ₁ ± nf₂, где т и п –целые числа. Это явление и лежит в основе взаимной модуляции; оно обусловлено наличием в передатчике элементов, обладающих нелинейными характеристиками, главным образом транзисторов или электронных ламп.

Интенсивность побочных излучений характеризуется мощностью соответствующих колебаний в антенне передатчика. Например, по действующим международным нормам радиопередатчики на частотах до 30 МГц должны иметь мощность побочных излучений не менее чем в 10000 раз (на 40 дБ) ниже мощности основного излучения и не более 50 мВт.

Показатели, определяющие качество передачи вещательного сигнала (электроакустические показатели), в принципе не отличаются от аналогичных параметров электрического канала вещания, что естественно, поскольку передатчик является частью канала – трактом вторичного распределения.

Некоторое отличие заключается лишь в том, что эти показатели нормируются и измеряются относительно уровня сигнала, соответствующего определенному коэффициенту модуляции сигналом частотой 1000 Гц. Для допустимого отклонения амплитудно-частотной характеристики этот коэффициент равен 50%.

Коэффициент гармоник определяется при коэффициенте модуляции 50, 90, а также 10%, что обусловлено наличием в модуляторе передатчика специфических искажений вида двустороннего ограничения, заметных при большом коэффициенте модуляции, вида центральной отсечки, заметных при малом коэффициенте модуляции. Защищенность от интегральной помехи и от псофометрического шума измеряется относительно уровня модулирующего сигнала, соответствующего 100% модуляции. Эксплуатационный персонал часто употребляет термин уровень шумов, который оценивается в децибелах относительно уровня модулирующего сигнала с частотой 1000 Гц, соответствующего коэффициенту модуляции 100%. Численно он равен величине запрещенности от интегральной помехи, взятой со знаком "минус".