Передающие терминалы

Передающие терминалы (ПЕТ) предназначены для выработки ЭК в виде НЧ РИ или ВИ, которые далее выдаются в ПРД. Основу ПЕТ составляют генераторы указанных типов ЭК, при этом в них закладываются все значения параметров, среди которых могут быть РНП (в НРЭС-ПИ) или только ТП (в НРЭС-ЗП). В ПЕТ в качестве преобразователей НП в РНП применяются различной сложности устройства — от микрофонов до ПК.

Важнейшим требованием к НРЭС является обеспечение высокой достоверность получаемой от нее информации, обеспечение которой достигается применением в НРЭС цифровых технологий выработки, трансляции и предоставления информации пользователю.

Все реальные периодические ЭК, называемые аналоговыми,являются непрерывными функциями времени (на интервале их существования), поэтому в цифровых ПЕТ применяется аналого-цифровое преобразование (АЦП) вырабатываемых им ЭК, и в цифровых ОУ применяется процедура обратного восстановления аналогового ЭК из принятого цифрового сигнала путем его цифроаналогового преобразования (ЦАП).

5.1.1. Генераторы аналоговых ЭК

Генератор — это устройство, преобразующее энергию источника питания (источника постоянного тока) в ЭК заданной формы. Генераторы могут применяться в качестве датчиков ЭК в составе ПТ, гетеродинов в составе модуляторов и т. п.

Различают генераторы автоколебательные и ждущие.

Автоколебательный генераторначинает работать (вырабатывать соответствующее колебание) при его включении (ВКЛ-Т), при этом в нем задаются значения всех параметров вырабатываемого ЭК.

Ждущий генераторпосле ВКЛ-Т работу не начинает в ожидании дополнительных внешних толчков (внешнего запуска), осуществляемого запускающими импульсами (ЗИ), поэтому ждущий генератор определяет значения всех параметров вырабатываемого ЭК за исключением периода следования, который задают ЗИ. В связи с этим вырабатываемые ждущим генератором ВИ или РИ будут синфазными (при пренебрежимо малой задержке срабатывания ждущего генератора) или синхронными с ЗИ.

Качество генераторов характеризуется нестабильностью (D_F) т. е. отклонением реальной частоты генерируемого колебания от номинальной (заданной):

D_F% = (|F_р – F_н / F_н)·100 %, (5.1)

где: F_р — реальное значение частоты, вырабатываемой генератором;

F_н — номинальное (установленное) значение частота.

Отклонения возникают под воздействием различных дестабилизирующих факторов — колебаний напряжения питания, влияния температуры и т. п. Нестабильность современных генераторов составляет 10^-4 % и менее.

5.1.2. Аналого-цифровое преобразование сигналов

Применение АЦП базируется на теореме, доказанной в 1933 г. академиком В. А. Котельниковым и названной его именем. Согласно этой теореме, любой аналоговый бесконечный сигнал, характеризуемый конечным спектром, можно представить в виде дискретных отсчетов его амплитуды, частота выборки которых не менее чем в два раза выше максимального значения частоты спектра сигнала. На практике теорему Котельникова применяют к реальным, ограниченным во времени аналоговым сигналам, спектр которых, в принципе, бесконечен, с учетом допустимой погрешности восстановления сигнала после ЦАП.

В соответствии с теоремой Котельникова любой аналоговый сигнал может быть приближенно представлен в виде цифрового путем оцифровки (автоматического измерения) его амплитуд через интервалы времени Т_дис:

Т_дис=1 / (2F_мак), (5.2)

где F_мак — наибольшая выбранная частота спектра аналогового сигнала.

Применительно к АЦП процедуру выборки амплитуд аналогового сигнала с периодом его Т_ДИС называют дискретизацией, а процедуру их оцифровки — квантованием, характеризуемым шагом квантования U_кв и количеством квантов N_кв (рис. 5.1).

Для обеспечения последующего восстановления аналогового сигнала в ЦАП необходимо из АЦП выдавать значения Т_дис, U_кв и N_кв, которые предварительно кодируются.

Как правило, АЦП представляет собой электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Кроме того, к АЦП также относят некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом, например, некоторые типы преобразователей угол-код. Простейшим одноразрядным двоичным АЦП является компаратор, выдающий два уровня напряжения.

Разрядность АЦП характеризует максимальное количество дискретных значений, которые на выходе может выдать преобразователь. В двоичных АЦП разрядность измеряется в битах. Разрядностью АЦП определяется и его разрешение — минимальное изменение величины входного аналогового сигнала, которое может быть зафиксировано данным АЦП, т. е. разрядность АЦП определяет теоретически возможную точность АЦП. Процесс квантования по уровню связан с внесением некоторой погрешности, значение которой можно определить по формуле

Δ_кв ≤ ±U_кв / 2, (5.3)

где Δ_кв — величина абсолютной предельной погрешности оцифровки (квантования) амплитуды, зависящая от разрядности АЦП.

На практике разрешение АЦП ограничено соотношением сигнал/шум входного сигнала. При большой интенсивности шумов на входе АЦП различение соседних уровней входного сигнала затрудняется, т. е. ухудшается разрешение. При этом реально достижимое разрешение описывается эффективной разрядностью (Effective Number Of Bits — ENOB), меньшей, чем реальная разрядность АЦП. При преобразовании сильно зашумленного сигнала младшие разряды выходного кода практически бесполезны, так как содержат сплошной шум.

Поскольку реальные АЦП не могут произвести аналого-цифровое преобразование мгновенно, входное аналоговое значение должно удерживаться постоянным, по крайней мере от начала до конца процесса преобразования; этот интервал времени называют временем преобразования. Такая задача решается путем использования специальной схемы на входе АЦП — устройства выборки-хранения.

К основным параметрам АЦП относятся:

– тип преобразуемой величины: напряжение, угол и др.;

– диапазон изменения входных величин;

– разрядность;

– погрешность преобразования;

– нелинейность преобразования;

– максимальная частота дискретизации.

В зависимости от принципа действия АЦП делятся на АЦП параллельного преобразования, поразрядного взвешивания, следящие, интегрирующие, многоканальные и др.

АЦП параллельного преобразования реализуют метод непосредственного считывания и являются наиболее быстродействующими.

АЦП поразрядного взвешивания (поразрядного кодирования) выполняет одно преобразование за несколько тактов. Такие АЦП нашли широкое применение в интегральных схемах (ИС) ввиду своей простоты и достаточно хорошего быстродействия.

Следящие АЦП, в отличие от АЦП поразрядного взвешивания, имеют в своем составе вместо регистра последовательных приближений реверсивный счетчик.

Интегрирующие АЦП относятся к медленно действующим преобразователям. Принцип их действия основан на преобразовании аналоговой величины во временной интервал и формировании число-импульсного (единичного) кода путем заполнения этого интервала импульсами опорной частоты. Погрешность интегрирующего АЦП определяется в основном воздействием внешних дестабилизирующих факторов, особенно температуры, что приводит к значительным погрешностям преобразования. Поэтому в настоящее время для построения интегрирующих АЦП используют принцип двойного интегрирования.

Принцип действия АЦПдвойного интегрирования заключается в том, что сначала в течение некоторого фиксированного интервала времени интегрируется аналоговая преобразуемая величина, а затем интегрируется эталонное (опорное) напряжение, затем результаты сравниваются. Такие АЦП обеспечивают высокую точность преобразования в условиях промышленных помех и большого интервала значений окружающей температуры, поэтому они широко используется в измерительной технике и автоматизированных системах управления.

Многоканальные АЦП широко используются для преобразования нескольких однотипных аналоговых величин. Такие АЦП включают аналоговый коммутатор и один из рассмотренных ранее АЦП. Аналоговый коммутатор поочередно подключает на вход АЦП через усилитель все входные сигналы. Для большинства АЦП разрядность составляет 6–24 бит, частота дискретизации — до 100 МГц.

АЦП используется везде, где требуется обрабатывать, хранить или передавать сигнал в цифровой форме:

- АЦП являются составной частью систем сбора данных;

- быстрые видео АЦП используются, например, в ТВ-тюнерах (параллельные и конвейерные АЦП);

- медленные встроенные АЦП: 8, 10, 12 или 16-битные АЦП, часто входят в состав микроконтроллеров;

- современные весы используют АЦП с разрядностью до 24 бит, преобразующие сигнал непосредственно от тензометрического датчика (сигма-дельта АЦП);

- АЦП входят в состав радиомодемов и других устройств радиопередачи данных;

- сверхбыстрые АЦП используются в цифровых СРЛС, цифровых осциллографах (параллельные, конвейерное и др.).

5.1.3. Кодирование

5.1.3.1. Общие сведения о кодировании.

В НРЭС-ПИ различают сигналы аналоговые (непрерывные), принимающие любое значение в пределах заданного диапазона (например, на выходе микрофона), и цифровые, принимающие в заданные моменты времени одно из нескольких разрешенных значений. Например, для передачи знаков русского алфавита необходимо использовать 33 разных сигнала, для передачи цифр — десять сигналов.

Непрерывные сигналы характеризуются динамическим диапазоном — областью, в пределах которой изменяется значение сигнала, и полосой занимаемых частот.

Для простоты технической реализации и универсальности устройств цифровых НРЭС-ПИ, способных передавать различные сообщения, число используемых цифровых сигналов принимают равным двум (для удобства анализа их обозначают обычно символами «1» и «0»). Символу «1» соответствует, например, высокий уровень напряжения прямоугольной формы длительностью τ₀, символу «0» — низкий (нулевой) уровень напряжения той же длительности или импульс напряжения отрицательной полярности (рис.5.2). Такие сигналы называют двоичными.

Для отображения знаков алфавита с помощью набора символов «1» и «0» используют специальные коды, с помощью которых каждый знак алфавита представляется двоичным числом, или кодовой комбинацией.

Кодом называют условное цифровое обозначение букв алфавита (например, набором двоичных элементов — символов «1» и «0»), также называемое кодовой комбинацией.

В НРЭС-ПИ кодирование осуществляется в ПЕТ, а декодирование — в ОУ. Кодирующие изделия также называют шифраторами,или кодерами, соответственно декодирующие изделия называют дешифраторами, или декодерами. Они, фактически, представляют собой преобразователи кодов.В случае применения высокоинтеллектуальных способов кодирования их также называют криптографическими.

В простейшем случае для кодирования информации в виде текста применяют шифровальную таблицу, в которой каждому знаку алфавита ставится в соответствие цифра или набор двоичных элементов (кодовая комбинация), условно обозначаемых символами «1» и «0». Этим цифрам в соответствие могут поставить два ВИ одинаковой длительности положительной и отрицательной полярности.

Различают неравномерные и равномерные коды. Примером неравномерного кода является код Морзе — знаки алфавита кода Морзе имеют разную длину, при этом часто встречающимся знакам присущи более короткие кодовые комбинации, редко встречающимся — более длинные. Например, букве «е» соответствует точка, т. е. символ «1» — импульс длительностью τ₀, букве «а» — точка, пауза длительностью τ₀ и тире, длительность которого равна 3τ_0. (см.рис.5.2). Такие коды обеспечивают экономию времени при передаче сообщения и имеют специфическое звучание, что облегчает прием сообщения на слух, но недостаточно удобны при автоматическом приеме с помощью специальных технических устройств.

В НРЭС-ПИ с автоматическим приемом и регистрацией дискретных сообщений (буквопечатающие телеграфные аппараты, принтеры или дисплеи ПК) используются равномерные коды, в которых каждая кодовая комбинация содержит одинаковое число элементов. Это число элементов k называют длиной кодовой комбинации. Минимальная длина кодовой комбинации k_мин определяется из условия

k_мин = log₂ N, (5.4)

где N — число знаков в коде.

При технической реализации цифровых НРЭС-ПИ элементам кода «1» и «0» соответствуют два различных ЭК, например, п-образный ВИ положительной полярности длительностью τ₀ и ВИ отрицательной полярности (или пауза) той же длительности.

Уровни напряжения сигналов, соответствующих символам «1» и «0», и скорость их передачи являются основными характеристиками цифровых сигналов.

Каждый двоичный элемент кодовой комбинации (1 или 0) содержит определенное количество информации, равное 1 бит (bit — binary digiT), скорость передачи информации измеряется в значениях бит/с. При длительности сигналов τ_o скорость передачи информации составит B = 1/τ₀ бит/с. При передаче сигналов 1 бит/с численно равен 1 Бод.

5.1.3.2. Код Бодо

В настоящее время организована и функционирует Международная телеграфная сеть (телекс), служащая для передачи буквенно-цифровых сообщений. В качестве устройств ввода-вывода сообщений в телеграфной сети используются телеграфные букво-печатающие аппараты, применяющие код Бодо, который также называют Международным телеграфным кодом N2 (МТК-2, ITА-2).

Код Бодо является пятиэлементным, т. е. с его помощью можно составить 2⁵=32 кодовых комбинаций. Для расширения возможностей кода вместе с цифровым регистром используются специальные комбинации, называемые буквенными регистрами (латинские и русские буквы). В результате одна и та же кодовая комбинация используется для формирования знаков русского, латинского алфавитов или цифр, в зависимости от выбранного регистра.

5.1.3.3. Код ASCII

В современных ПК используется Американский стандартный код для обмена информацией (ASCII) — American Standart Code for Information Interchange. Он состоит из семи информационных элементов (бит), которые создают 2⁷ = 128 комбинаций, что позволяет закодировать цифровые знаки, латинские строчные и прописные алфавитные знаки, а также ряд дополнительных графических символов. Обмен данными в ПК осуществляется кодовыми словами - байтами (1байт=8бит), поэтому оставшийся восьмой бит может использоваться для различных служебных целей — обнаружения в принятом байте ошибки путем проверки на четность, увеличения числа знаков для создания специальных символов национального алфавита, которые используются в том или ином регионе (символы ASCII кода с номерами от 128 до 255).

5.1.3.4. Принципы построения кодов с обнаружением ошибок

Рассмотренные выше коды, используемые при передаче дискретных сигналов (МТК-2, ASCII), не способны автоматически обнаруживать возникающие из-за помех ошибки. В результате при неверном приеме двоичных сигналов возникают ошибки в регистрируемой информации, например, если при передаче буквы «А» в коде МТК-2 (комбинация о11000) из-за помехи пятый элемент будет принят неверно (принята комбинация 11001), ОУ зарегистрирует букву «В». Для борьбы с ошибками в современных системах связи используют помехоустойчивые коды, способные обнаруживать или исправлять ошибки.

Для обеспечения обнаружения ошибок в коды в ПТ вводится избыточность, т. е. к информационным элементам кода добавляются проверочные, которые формируют по определенным правилам. На приемной стороне в ОУ принятая кодовая комбинация обрабатывается для проверки выбранного правила. Нарушение правила кодообразования свидетельствует о наличии ошибки в принятой кодовой комбинации.

Наиболее простым кодом, способным обнаруживать ошибки, является код с четным числом «1». Для получения этого кода к исходной комбинации добавляют один элемент — «1» или «0» так, чтобы суммарное число единиц оказалось четным. Например, для исходной комбинации 11000 кодовая комбинация четного кода имеет вид 110000. При возникновении ошибки (например, в пятом элементе: 110010) число единиц окажется нечетным. Специальное устройство в ОУ, подсчитав число единиц, обнаружит ошибку и «забракует» эту комбинацию.

Аналогичным образом можно построить код с нечетным числом единиц. Такой же метод можно использовать и для кода ASCII — длина кода в этом случае станет равной восьми, т. е. одному байту, принятому для работы вычислительных машин. Такие коды с проверкой на четность (Check Parity) применяют при обмене данными между ПК. Заметим, что этот код не способен исправлять ошибки — для получения правильной информации необходимо организовать повторную передачу кодовых комбинаций, принятых с ошибкой. К тому же при возникновении в кодовой комбинации, например, двух ошибок устройство их не обнаружит. Например, если в принятой комбинации ошибки возникнут на третьей и пятой позициях: 111010, число единиц сохранится четным и приемник зарегистрирует букву «Я», соответствующую комбинации 11101 в коде МТК-2.

Для обнаружения двойных (и более) ошибок и для автоматического исправления ошибок используют более сложные коды. Например, в морской радиосвязи используют семиэлементный код 3:4, в котором каждая кодовая комбинация имеет три «единицы» и четыре «нуля» (например, 1001001, 1101000, 1100100). Из общего числа 2⁷ семиэлементных комбинаций этому правилу соответствуют 35 комбинаций. На приемной стороне в ОУ специальное устройство «проверяет» соотношение 3:4 и если оно не выполняется, то комбинация «бракуется». Таким образом предотвращается прием ошибочной информации. Код 3:4 используется в системе морского радиотелекса, который является составной частью аппаратуры ГМССБ.

Для получения верной информации используются следующие алгоритмы (методы):

– автоматический запрос на повторение информации;

– двукратное дублирование кодовых комбинаций — коды савтоматическим исправлением ошибок.

5.1.3.5. Кодирование для секретности

В современных НРЭС-ПИ для обеспечения секретности передаваемой информации применяются криптографические способы кодирования / декодирования, реализуемые цифровыми аппаратно-программными изделиями, встраиваемыми в ПЕТ и ОУ.

5.1.3.6. Кодирование для борьбы с помехами

Принцип данного вида кодирования рассмотрен далее в 5.4.

Передатчики

5.2.1. Общие сведения о передатчиках

ПРД состоит из следующих функциональных узлов (рис.5.3):

– усилителя низкой частоты (УНЧ);

– модулятора;

– усилителя радиочастоты (УРЧ);

– согласующего устройства (СУ).

УНЧ усиливает НЧ РИ или ВИ, поступающие от ПЕТ, для обеспечения нормального режима работы модулятора. Модулятор осуществляет преобразование НЧ синусоидального ЭК (НЧ РИ или ВИ) в РЧ РИ, необходимые для подачи на А_ПРД.

УРЧ усиливает РЧ РИ, поступающие с выхода модулятора, до необходимой величины амплитуды, обеспечивающей требуемую мощность излучения А_ПРД.

Максимальная эффективность излучения антенны приходится на ее резонансную частоту. При изменении задаваемой модулятором рабочей частоты ПРД эффективность излучения энергии антенной падает из-за несоответствия ее резонансной частоте. Для подстройки характеристик антенны под РЧ без изменения ее геометрических размеров применяется СУ, которое выполняет согласование выхода УРЧ с А_ПРД.

Основными техническими характеристиками ПРД являются:

– диапазон РЧ;

– классы излучения (режимы работы) – вид модуляции, характер сигнала (телефонный, телеграфный и т.п.);

– выходная мощность ПРД, направляемая в антенну.

К эксплуатационным характеристикам ПРД относится нестабильность его параметров (в частности нестабильность F_РЧ).

В морской радиосвязи используются ПРД следующих диапазонов:

– промежуточных и коротких волн (ПВ/КВ) с частотами 1,6–27,5 МГц;

– ультракоротких волн (УКВ) с частотами от 155 до 161 МГц;

– дециметровых волн в системе спутниковой связи ИНМАРСАТ с частотами 1625,5–1649,5 МГц.

В зависимости от назначения ПРД его выходная мощность составляет от долей Вт (ПРД сотовой связи) до десятков МВт (магистральные ПРД). Выходная мощность ПРД обеспечивает необходимую мощность радиоволны в точке приема, однако чрезмерно большая мощность излучения может оказывать негативное влияние на членов экипажа и мешающее воздействие на работу других судовых устройств РТС, поэтому вводятся ограничения максимальной мощности ПРД. В судовых радиопередатчиках она составляет: для ПВ-диапазона 400 Вт, для КВ-диапазона 1,5 кВт, для УКВ-диапазона 25 Вт, для спутниковых ПРД 40 Вт.

Нестабильность частоты ПРД характеризуется отклонением рабочей (реальной) частоты РПД F_РЧ от номинальной F_н. Количественной оценкой служит относительная нестабильность (δ_F):

δ_F = (F_РЧ– F_н) / F_н. (5.5)

В современных ПРД величина δ_F составляет 10^–5–10^–8 и менее.

5.2.2. Усилители

5.2.2.1. Общие сведения об усилителях

Усилитель — это изделие, предназначенное для увеличения амплитуды подводимого ЭК за счет энергии источника питания. Усилители относятся к аналоговым изделиям.

Простейший усилитель состоит из усилительного элемента (электронной лампы, транзистора), набора пассивных элементов (резисторы, емкости, индуктивности) и источника электрической энергии, образующих усилительный каскад. Он имеет входную цепь, к которой подводится усиливаемое ЭК, и выходную цепь для получения выходного ЭК. Электронные усилители обычно состоят из нескольких каскадов, соединяемых так, что выход одного каскада соединяется с входом следующего каскада.

5.2.2.2. Классификация усилителей

Могут применяться несколько разнообразных классификационных признаков усилителей.

В зависимости от элементной базы усилители делятся на следующие виды:

– ламповые (на лампах);

– транзисторные (на полупроводниковых транзисторах);

– диодные (на специальных типах диодов (например, диодах Ганна)),

– операционные (на интегральных микросхемах).

В настоящее время преимущественное применение получили операционные усилителииз-за большого коэффициента усиления, малых размеров и небольшой потребляемой энергии. Однако они неспособны усиливать большие мощности. В этих случаях используют ламповые или транзисторные усилители. Последние вытесняют ламповые усилители, так как являются более экономичными. Напряжение питания транзисторных усилителей в несколько раз меньше ламповых, они способны выдерживать большие мощности и имеют небольшие размеры.

В зависимости от диапазона частот усиливаемых ЭК усилители разделяют на следующие виды:

– усилители низких частот (УНЧ), которые используются, например, для усиления частот звукового диапазона (F < 30 кГц);

– усилители радиочастот (УРЧ), используемые для усиления РЧ ЭК; в СВЧ радиоприемных устройствах УРЧ также называются малошумными усилителями (МШУ);

– широкополосные усилители (ШПУ), используемые для усиления ЭК, занимающих большую полосу частот (например, телевизионных ВС);

– усилители постоянного тока (УПТ), которые используются для усиления ЭК, частотный состав которых начинается с «нулевой» частоты;

– избирательные усилители, построенные на каскадах с нагрузкой в виде колебательных контуров.

УНЧ служат для усиления непрерывных периодических сигналов в диапазоне низких частот (от десятков герц до десятков килогерц). Особенностью УНЧ является то, что отношение верхней усиливаемой частоты к нижней велико и имеет значение от нескольких сотен до нескольких тысяч.

УПТ предназначены для усиления медленно меняющихся напряжений и токов в диапазоне частот от нуля до некоторой наибольшей частоты.

Избирательные усилители, характеризующие небольшими значениями отношения верхней и нижней частот. Как правило, это усилители высокой частоты (УВЧ).

Широкополосные (импульсные) усилители работают в диапазоне от нескольких кГц до нескольких десятков МГц и используются в устройствах импульсной связи, радиолокации, телевидения.

По характеру усиливаемых сигналов разделяют: усилители аналоговых сигналов, усилители импульсных сигналов.

По типу усиливаемой величины разделяют: усилители напряжения, тока, мощности.

По числу каскадов: одно, двух, многокаскадные.

По особенностям различных характеристикусилителей: линейные, логарифмические, линейно-логарифмические, МШУ, резонансные, видео-усилители (усилители ВИ) и др.

5.2.2.3. Основные характеристики усилителей

Характеристики усилителей разделяют на входные (параметры входа), выходные (параметры выхода) и проходные (параметры и графики связи величин входных и выходных параметров).

Входные параметры усилителей:

– входной амплитудный динамический диапазон (АДД)— диапазон амплитуд ЭК на входе усилителя (U_вхmin–U_вхmax или I_вхmin–I_вхmax или P_вхmin–P_вхmax), которым на его выходе соответствует выходной АДД (рис.5.4);

– входное сопротивление (R_вх), которое при условии R_вх<<R_{вых.ист} (R_{вых.ист} — выходное сопротивление источника ЭК, которое включено параллельно сопротивлению R_вх), можно определить по формуле

R_вх = U_вх.н / I_вх.н; (5.6)

– чувствительность усилителя — минимальная величина амплитуды ЭК (Ч_U — чувствительность по напряжению, или Ч_I — чувствительность по току, или Ч_P — чувствительность по мощности) на входе усилителя, для которой обеспечивается заданное соотношение сигнал/шум на его выходе (U_вых.с/U_вых.ш или I_вых.с/I_вых.ш или Р_вых.с/Р_вых.ш)или в запертых (подпертых) усилителях соответствует величине поданного на вход усилителя запирающего напряжения (U_вх.зап). Подпирание входа применяют в видеоусилителях для отрезания его шумов на выходе.

Выходные параметры усилителей:

– выходная мощность усилителя (Р_вых) представляется величиной P_выхmax илиP_вых.н;

– выходной АДД (U_выхmin–U_выхmax или I_выхmin–I_выхmax или P_выхmin–P_выхmax) — диапазон изменения величин амплитуды ЭК на выходе усилителя (см.рис.5.4);

– выходное сопротивление (R_вых), которое, при условии R_вых<<R_вх.наг (R_вх.наг — входное сопротивление нагрузки усилителя, включенное параллельно сопротивлению R_вых), можно определить по формуле

R_вых = U_вых.н / I_вых.н; (5.7)

– коэффициент полезного действия (η):

η = P_выхmax/P_ИП, (5.8)

где Р_ИП — мощность, потребляемая усилителем от источника питания.

Проходные параметры усилителей:

– коэффициент усиления (К_U — по напряжению, или К_I — по току, или К_Р — по мощности) — отношение величины амплитуды ЭК на выходе к величине амплитуды ЭК на входе усилителя:

К_U = U_вых / U_вх; К_I = I_вых/I_вх; К_P = P_вых/Р_вх=K_гK_U; (5.9)

коэффициенты усиления могут выражаться в дБ: К_UдБ=20lgК_U; К_IдБ=20lgК_I; К_Р,дБ=10lgК_Р;для многокаскадных усилителей коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления его каскадов:

К = К₁, К₂ … К_n; К_дБ = К_1дБ+К_2дБ+…+К_nдБ; (5.10)

– полоса пропускания усилителя (ΔF_пр) — полоса частот, усиливаемых ЭК, для которых K_U ≥ 0,707К_Uн или K_I ≥ 0,707K_Iн или К_P≥0,5К_Pн(рис. 5.7).

Проходные графики усилителей:

– передаточный график каскада или УПТ (рис.5.5) — это зависимость величины амплитуды выходного ЭК (Ū_вых или Ī_вых или Р̄_вых) от величины амплитуды входного постоянного ЭК (Ū_вх или Ī_вх или Р̄_вх). Этот график используют для выбора рабочей точки усилительного каскада(Ū_P) — это величина постоянного напряжения на входе УПТ или усилительного каскада (смещения); при этом различают усилители класса А (рабочая точка Ū_А), усилители класса В (рабочая точка Ū_В)и усилители класса АВ (рабочая точка Ū_АВ). Все типы усилителей характеризуются наличием ограничения амплитуд выходного ЭК (насыщения усилителя) из-за предельной возможности усилительных элементов выдавать электрические заряды, а нижняя часть амплитудного графика определяется уровнем собственных шумов усилителя;

– амплитудный график усилителя (см.рис.5.4) — это зависимость величины амплитуды выходного ЭК (Ũ_вых или Ĩ_вых или Р̃_вых) от величины амплитуды входного переменного ЭК (Ũ_вх или Ĩ_вх или Р̃_вх);

– проходной график усилителя (рис.5.6) — это зависимость величины коэффициента усиления (К_U или K_I или К_Р)от величины амплитуды
входного ЭК (U_вх или I_вхили Р_вх); на проходном графике определяется входной АДД на уровне 0,707 от максимального коэффициента усиления (К_Umax) или0,5К_Рmax;

– частотный график усилителя (см.рис.5.7) — это зависимость коэффициента усиления от частоты входного ЭК. Этот график применяют для определения полосы пропускания усилителя ΔF_пр. При усилении сложного входного сигнала, содержащего ряд гармоник, они усиливаются неодинаково, что приводит к искажению формы усиленного сигнала. Такие искажения характеризуются коэффициентом частотных искажений (М_F):

М_F = К_Uн/К_F, (5.11)

где К_F — коэффициент усиления усилителя на заданной частоте;

– фазочастотный график усилителя — это зависимость величины сдвига фаз между входным и выходным ЭК от величины частоты приходящего ЭК (рис.5.8);

– переходной график усилителя — это зависимость величины амплитуды выходного сигнала (тока, напряжения) от времени при скачкообразном входном воздействии (рис.5.9).

5.2.3. Модуляторы

5.2.3.1. Общие сведения о модуляторах

Спектры ЭК, вырабатываемых различными типами ПЕТ, находятся в области низких частот. У цифровых сигналов основная энергия приходится на «нулевую» частоту, т. е. на постоянную составляющую сигнала, поэтому такие сигналы часто называют сигналами постоянного тока. Ток низких частот хорошо распространяется по проводникам (физическим проводам), но излучение и прием электромагнитных волн на этих частотах чрезвычайно затруднен. Для передачи сигналов на большие расстояния с помощью электромагнитных волн необходимо перенести спектр низкочастотного ЭК в область высоких частот (радиочастот — РЧ). Этот перенос спектра называют модуляцией, осуществляемой с помощью модулятора. Суть ее заключается в том, что один из параметров высокочастотного РЧ колебания (несущее колебание) и его частота (несущая частота) изменяются по закону НЧ управляющего ЭК, содержащего передаваемое сообщение.

Для преобразования НЧ синусоидальных ЭК или НЧ РИ применяется модулятор, состоящий из смесителя и высокочастотного опорного генератора (ОГ), работающего в автоколебательномрежиме (рис.5.10,а).

Для преобразования ВИ в РЧ РИ применяется модулятор в виде ждущегогенератора РИ (рис.5.10,б), который объединяет функции ОГ и смесителя, но значительно экономичнее их, так как не работает при отсутствии входных ВИ.

В зависимости от используемого параметра РЧ РИ в качестве РНП модуляторы бывают с амплитудной (АМ), частотной (ЧМ), фазовой (ФМ) модуляцией, а также с различными видами импульсной (дискретной)или кодоимпульсной модуляцией (КИМ), с дельта-модуляцией (ДМ) и др.

При АМ по закону приходящего от ПЕТ электрического НЧ РИ или ВИ колебания изменяется амплитуда РЧ РИ колебания, при ЧМ — частота, при ФМ — фаза.

Сообщение при импульсной модуляции представляется двоичным кодом. Из импульсных видов модуляции наиболее часто используют:

– амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ) — в зависимости от посылки символов «0» или «1» меняется амплитуда передаваемых импульсов;

– широтно-импульсную модуляцию (ШИМ или ДИМ) — в зависимости от посылки символов «0» или «1» меняется длительность передаваемых импульсов;

– фазо-импульсную модуляцию (ФИМ) — в зависимости от посылки символов «0» или «1» меняется фаза передаваемых импульсов;

– частотно-импульсную модуляцию (ЧИМ) — в зависимости от посылки символов «0» или «1» меняется период следования импульсов.

При КИМ каждому значению амплитуды сигнала в дискретные моменты времени соответствует «пачка» импульсов. В общем случае при дискретной модуляции модулирующий сигнал может иметь несколько градаций Μ = 2, 3, 4 и выше. При числе градаций Μ = 2 модулирующим сигналом являются двоичные символы «0» или «1». Такую дискретную модуляцию называют манипуляцией.

ПриДМ определяется разность значений сигнала в текущий и предыдущий моменты времени, после чего эта разность представляется двумя уровнями:

– «+1» при положительной разности;

– «−1» при отрицательной разности.

В РЭС применяются следующие виды дискретной модуляции с гармоническим (синусоидальным) несущим колебанием:

– дискретная амплитудная модуляция (ДАМ);

– дискретная частотная модуляция (ДЧМ);

– дискретная фазовая модуляция (ДФМ);

– относительная фазовая модуляция (ОФМ);

– квадратурная амплитудная модуляция (КАМ);

– амплитудно-фазовая модуляция (АФМ);

– дискретная частотная модуляция с непрерывной фазой (ДЧМНФ);

– дискретная частотная модуляция с минимальным сдвигом (ММС).

В НРЭС также применяются:

– линейная частотная модуляция (ЛЧМ), в которой частота РЧ РИ изменяется во времени по линейному закону;

– фазо-коммутированная модуляция (ФКМ), при которой фаза РЧ РИ изме