Телеграфный канал электросвязи.

Основные понятия электросвязи.

Система электросвязи (рис. 1.1) предназначена для передачи информации от отправителя к получателю. Под информацией будем понимать любые сведения, предназначенные для хранения, передачи, распределения или непосредственного использования.

Сообщение (СО) является формой представления информации в системе связи. Это может быть речь, текст, изображение и т. д. Отправителями и получателями сообщений могут быть люди или автоматы, например вычислительные машины.

Каналом связи называется совокупность технических устройств, обеспечивающих передачу сообщений. Такими устройствами в канале электросвязи являются передатчик, линия связи и приемник. Передатчик обеспечивает преобразование сообщения в сигнал, линия связи − направленное распространение (канализацию) энергии сигнала от передатчика к приемнику, а приемник − преобразование сигнала в сообщение.

Сигнал связи (С) можно рассматривать как процесс изменения во времени физической величины (тока, напряжения, электромагнитного поля, света), однозначно соответствующий передаваемому сообщению.

Искажение (ИС) − это нарушение соответствия между переданным и принятым сообщениями, возникающее в результате несовершенства элементов системы связи или действия помех.

Помехи (П) − это физические процессы, однородные с сигналом, но не соответствующие передаваемому сообщению. Способность канала связи подавлять действие помех называется помехоустойчивостью.

Уменьшение мощности сигнала в канале связи называется затуханием (З), а искусственно создаваемое увеличение мощности − Усилением (У).

Телефонный канал электросвязи (рис. 1.1). Телефонное сообщение, как правило, представляет собой речь. В качестве передатчика используется микрофон − устройство, преобразующее звуковые колебания в электрические − в переменный ток (напряжение), изменяющийся во времени с частотой звука. Амплитуда тока пропорциональна амплитуде звука (его громкости). В простейшем случае − это колебание с постоянными амплитудой и частотой, называемое гармоническим:

где − мгновенное, а − амплитудное значение тока; t − время; − круговая частота; − частота звука.

В качестве приемника используется телефон − устройство, обеспечивающее обратное преобразование. Линия связи может быть проводной или кабельной.

Звуковыми называют частоты колебаний, воспринимаемые человеком на слух. Границы диапазона звуковых частот индивидуальны для каждого человека и составляют от 15...20 Гц до 15...20 кГц.

На разборчивость (артикуляцию) речевой передачи оказывают влияние колебания в более узком − речевом диапазоне частот от 300 до 3400 Гц.

Телеграфный канал электросвязи.

Телеграфный сигнал электросвязи представляет собой определенное сочетание импульсов постоянного тока и пауз между ними. Преобразование сообщения в телеграфный сигнал производится в два этапа. Первый этап − кодирование. Сообщение предъявляется в виде текста (телеграммы). Каждому знаку (букве, цифре, символу) соответствует единственная комбинация импульсов и пауз, определяемая кодом. Второй этап − телеграфная передача (манипуляция). В результате замыкания и размыкания цепи постоянного тока формируется сигнал. В простейшем случае (рис. 1.1)передатчик состоит из источника тока − батареи Е и телеграфного ключа Кл, а приемник представляет собой электромагнитный телеграфный аппарат ЭМ.

При ручной передаче кодирование и манипуляцию производит оператор, используя неравномерный код Морзе. В этом коде каждому знаку соответствует от одного до пяти импульсов, которые могут быть короткими (точки длительностью ) или длинными (тире длительностью ). Поэтому знаковые сигналы имеют различную длительность. Такая передача используется ограниченно, в частности в самолетных телеграфных радиоканалах. Скорость передачи кодом Морзе определяется числом стандартных слов «П а р и ж», передаваемых за одну минуту.

При автоматической телеграфной связи кодирование производится при нажатии клавиши, соответствующей данному знаку. Кодирующее устройство будем называть кодером (КД), а декодирующее − декодером (ДК). В этом случае используются равномерные телеграфные коды. Каждый знак передается в течение постоянного временного интервала, который делится при пятизначном коде на пять, а при семизначном − на семь равных частей (посылок длительностью ). Посылки могут быть токовыми или бестоковыми. Они обозначаются соответственно 1 или 0. Так, в международном пятизначном телеграфном коде МТК-2 букве "П" соответствует комбинация 01101, а в коде Морзе точка − тире − тире − точка (см. рис 1.1, ).

Рис. 1.1

Скорость телеграфирования определяется числом элементарных посылок, передаваемых за секунду ( ), и измеряется в бодах. Скорости в 1 Бод соответствует с. Существуют телеграфные аппараты, работающие со скоростью 100 и 200 Бод.

Телеграфные каналы широко используются для передачи данных в ЭВМ, которые кодируются различными бинарными (состоящими из единиц и нулей) кодами. Единицей информации в этих кодах является бит − одна элементарная посылка, а скорость передачи данных измеряется в битах в секунду (бит/с). Разница между скоростями телеграфирования и передачи данных состоит в том, что при расчете первой учитываются как информационные, так и служебные посылки (например, стартовые и стоповые, передаваемые перед началом и после окончания каждого знака), а при расчете второй − только информационные. Поэтому скорость передачи в бодах выше, чем в битах в секунду.

1.2. ПРИНЦИПЫ РАДИОТЕХНИКИ

Принцип первый − использование радиоволн.

В радиотехнике в качестве материального носителя энергии сигнала используются радиоволны − свободные электромагнитные поля, излучаемые антенной радиопередатчика и распространяющиеся со скоростью света. Это позволяет осуществлять связь между объектами, не соединенными проводной линией, в частности между подвижными объектами.

Длиной волны называется путь, пройденный радиоволной по прямой за один период тока в антенне (рис. 1.2):

где − длина волны, м; м/с − скорость света; − период, с; − частота, Гц.

Принцип второй − использование радиочастотных электромагнитных колебаний.

Установлено, что эффективное излучение радиоволн возможно, если размеры передающей антенны соизмеримы с длиной волны. Диапазону звуковых частот соответствуют длины волн от десятков до десятков тысяч километров. Сооружение антенн таких размеров в большинстве случаев нецелесообразно. Поэтому в радиотехнике используются, как правило, более высокие − сверхзвуковые частоты, именуемые радиочастотами и обозначаемые малыми буквами: (рис. 1.2).

Принцип третий − управление радиочастотными колебаниями.

Если в приемнике радиочастотные электромагнитные колебания преобразовать в акустические, то получим ультразвук, не воспринимаемый человеком на слух. Возникает противоречие: сигналы звуковых частот трудно излучать, а ультразвуковых – невозможно воспринимать. Для разрешения этого противоречия используют управление колебаниями радиочастоты (КРЧ) при помощи управляющего сигнала звуковой частоты, в результате чего формируется радиосигнал.

Радиосигнал − это радиочастотное колебание, один из параметров которого изменяется во времени по закону управляющего сигнала (УС) (рис. 1.2). В радиосвязи различают два вида управления: телефонное − модуляция и телеграфное − манипуляция. Как видно из уравнения КРЧ

,

управлению могут подвергаться амплитуда частота ифаза сигнала. Соответствующие сигналы называют амплитудно-, частотно-, фазомодулированными или манипулированными.

Излучение радиопередатчика может быть непрерывным во времени или прерывистым − импульсным. В соответствии с регламентом радиосвязи в зависимости от управляемого параметра и характера излучения радиосигналы можно разделить на три группы:

группа А − сигналы с амплитудным управлением;

группа F − сигналы с частотным или фазовым управлением; группа

Р − сигналы симпульсным управлением.

Канал радиосвязи (рис. 1.2)состоит из радиопередающего устройства (РПДУ), линии связи и радиоприемного устройства (РПУ). Радиопередающее устройство, предназначенное для преобразования сообщения в радиосигнал, содержит радиопередатчик (РПРД) и управляющее устройство (УУ). В простейшем случае УУ − это микрофон или телеграфный ключ, формирующий управляющий электрический сигнал Простейший РПРД − это генератор радиочастотных колебаний, которые при телеграфной радиосвязи манипулируются, а при телефонной радиосвязи модулируются сигналом напряжением Сформированный радиосигнал излучается антенной.

Линия радиосвязи − это любая среда, в которой могут распространяться радиоволны, например атмосфера Земли или космическое пространство.

Радиоприемное устройство предназначено для преобразования радиосигнала в сообщение. Оно состоит из радиоприемника (РПРМ) и воспроизводящего устройства (ВУ). Приемная антенна преобразует радиоволны в напряжение радиосигнала РПРМ обеспечивает преобразование радиосигнала в управляющий , а ВУ (телефон, телеграфный аппарат) − воспроизведение сообщения.

1.3. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ РАДИОТЕХНИКИ

Радиопередача. Практическая реализация принципов радиотехники стала возможной благодаря решению ряда научно-технических задач, которые можно сформулировать как учебные проблемы, подлежащие решению в процессе изучения предмета. Охарактеризуем эти проблемы применительно к каналу телефонно-телеграфной радиосвязи сигналами с амплитудной модуляцией и манипуляцией. В тексте и на рис. 1.3 пронумерованы элементы структурных схем и графики, относящиеся к каждой проблеме. Для осуществления радиопередачи (рис. 1.3)необходимо:

1. Генерирование радиочастотных колебаний. Задающий генератор (ЗГ) вырабатывает незатухающие колебания частоты сигнала . Генерирование − это преобразование энергии одного вида в другой. В данном случае суть проблемы состоит в разработке способов преобразования энергии постоянного тока, потребляемой от источников питания, в энергию КРЧ.

2. Формирование управляющего сигнала (ФУС). Первичное преобразование сообщения в УС производится с помощью микрофона или телеграфного ключа. В канале формирования происходит усиление УС до уровня , обеспечивающего эффективное управление колебаниями радиочастоты (РЧ).

3 Формирование радиосигнала (ФРС). В результате решения этой проблемы должны быть разработаны способы амплитудной модуляции и манипуляции − операций, обеспечивающих получение радиосигнала в результате преобразования КРЧ ( ,) и УС ( )

4 Усиление мощности радиосигнала (УМ). Чем больше требуемая дальность радиосвязи, тем большей должна быть мощность радиосигнала, подводимого к антенне. Поэтому, как правило, сформированный сигнал нуждается в усилении, методы которого требуется разработать. При усилении происходит такое же преобразование энергии, как при генерировании. Однако в этом случае управление производится извне − напряжением Поэтому УМ называют генератором с внешним возбуждением. Усиленный сигнал c выхода РПДУ поступает в антенну.

Канализация энергии радиосигнала. Для направленной передачи энергии радиосигнала должны быть решены следующие проблемы (рис. 1.3):

1. Передача энергии PC от РПДУ к передающей антенне и от приемной антенны к РПУ производится по фидерным (питающим) линиям. Потери энергии в фидере должны быть минимальны. Проблема осложняется тем, что на радиочастотах длина волны становится соизмеримой с длиной фидера. В этих условиях процесс распространения энергии существенно отличается от аналогичного процесса в энергетических линиях промышленной частоты. Поэтому выбору оптимальных типов фидерных линий и их режимов работы должно предшествовать изучение этого вопроса.

2. Излучение радиоволн. Сформированный в РПДУ радиосигнал − это модулированный ток РЧ. Требуется преобразовать энергию этого тока в энергию радиоволны − свободного электромагнитного поля, напряженность которого изменяется во времени по закону радиосигнала. Такое преобразование (излучение) производится передающей антенной. Излучение должно быть эффективным (с малыми потерями энергии) и при необходимости направленным. Как уже отмечалось, это возможно, если размеры антенны соизмеримы с длиной волны.

3. Распространение радиоволн. Радиоволны распространяются от передающей антенны cо скоростью света. Что представляют собой радиоволны? Как они распространяются в пространстве? Как влияют на их распространение длина волны, свойства антенны и среды? Какие условия надо создать, чтобы обеспечить наиболее надежную и помехоустойчивую радиосвязь самым экономичным способом? Эти вопросы составляют основу данной проблемы,

Весьма широкий интервал частот электромагнитных колебаний разделен на диапазоны. Каждый диапазон охватывает частоты в пределах /= , где N − номер диапазона. В табл. 1.1 приведены названия волн, частот и их диапазоны.

Табл. 1.1

Диапазоны 1−3 пока не нашли применения в радиотехнике в связи с трудностями излучения очень длинных волн. Каждый следующий диапазон в 10 раз шире предыдущего. Например, ширина 6-го диапазона 3−0,3 = 2,7 МГц, а 7-го 30 − 3 = 27 МГц. Поэтому освоение более высокочастотных (коротковолновых) диапазонов позволяет резко увеличить число каналов связи, использовать сигналы с более широкой полосой частот. Кроме того, по мере укорочения волны появляется возможность использовать остронаправленные антенны, размеры которых должны во много раз превышать длину волны. А это дает дополнительную возможность увеличения числа каналов связи за счет их пространственного разделения, а также появляется возможность определения направления, со стороны которого приходят радиоволны, широко используемая в радионавигации, радиолокации и других областях. Концентрация энергии радиоволн в одном направлении позволяет обеспечить радиосвязь в этом направлении, используя РПДУ малой мощности.

На распространение радиоволн влияют свойства (проводимость и диэлектрическая проницаемость) земной поверхности и атмосферы, которые зависят от длины радиоволны. На высотах более 40...50 км разреженный воздух ионизирован ультрафиолетовым излучением солнца. При распространении радиоволн в ионосфере происходит изменение направления лучей – рефракция, которая тем сильнее, чем длиннее волны. Поэтому километровые и мириаметровые волны многократно отражаются от нижней кромки ионосферы и от Земли. Они распространяются в полноводном канале, хорошо дифрагируя − огибая кривизну Земли. Условия распространения этих волн практически не зависят от состояния ионосферы. Они стабильны в течение суток и года (см. рис. 1.3). Гектометровые волны дифрагируют хуже. Они отражаются в нижних слоях ионосферы. Ночью высота отражающего слоя возрастает, и дальность связи увеличивается до тысяч километров, но для этого требуются мощные РПДУ и громоздкие антенны. В этих диапазонах высока интенсивность атмосферных и промышленных помех, источниками которых являются дуговые и искровые разряды.

Декаметровые волны проникают в высокие слои ионосферы и, отражаясь несколько раз от Земли и ионосферы, распространяются на значительные (не ограниченные в пределах земной поверхности) расстояния с относительно малым затуханием. Благодаря этому, а также использованию направленных антенн дальняя связь обеспечивается РПДУ малой мощности. Условия распространения ДкМВ сильно зависят от времени суток, года, координат области отражения − факторов, влияющих на степень ионизации и траекторию луча РВ.

Метровые и более короткие волны практически не огибают кривизну земли и не отражаются ионосферой. Поэтому радиосвязь вдоль земли возможна лишь в пределах прямой видимости между передающей и приемной антеннами, дальность связи зависит от высоты антенн и для наземных антенн не превышает десятков километров. Однако благодаря огромной частотной емкости этих диапазонов, которая в десятки тысяч раз больше емкости всех более длинноволновых диапазонов (см. табл. 1.1), возможности использования широкополосных сигналов и остронаправленных антенн УКВ находят наиболее широкое и многообразное применение. Для увеличения дальности связи применяют радиорелейные линии с многократной ретрансляцией сигналов и искусственные спутники Земли (ИСЗ) (см. рис. 1.3).

Применение световых волн стало возможным в связи с развитием техники лазерных генераторов и усилителей остронаправленного светового (а также инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского) излучения. Особенно эффективны лазерные системы связи в космическом пространстве. Применение световодных линий позволяет использовать светосигналы вместо электрических и передавать несравнимо большее количество информации.

4. Извлечение энергии радиоволн и преобразование ее в ЭДС производится приемной антенной. Происходящий в ней процесс обратный процессу излучения в передающей антенне. Под действием этой ЭДС возникает ток в фидере, соединяющем антенну со входом РПУ.

Рис. 1.3

Радиоприем. Радиоприемное устройство предназначено для преобразования сигнала в сообщение. Простейшее РПУ прямого усиления состоит из усилителя сигнала радиочастоты (УРЧ), детектора (Д), усилителя сигнала звуковой частоты (УЗЧ) и воспроизводящего устройства (телефона). Радиоприемное устройство решает следующие проблемы (рис. 1.3):

1. Усиление радиосигнала. Амплитуда напряжения сигнала на входе РПУ весьма мала (например, единицы микровольт). Для детектирования без искажений требуется сигнал с амплитудой порядка единиц вольт . Проблема состоит в том, чтобы усилить амплитуду сигнала до требуемого уровня, не исказив его.

2. Частотная фильтрация радиосигнала. В антенне приемника одновременно действует множество ЭДС сигналов различных РПДУ, отличающихся друг от друга частотой. Проблема состоит в необходимости выделить и усилить только один сигнал, частота которого соответствует настройке РПУ, и подавить остальные, являющиеся помехами. Усилитель радиочастоты, обеспечивающий усиление и фильтрацию, называют избирательным.

3. Детектирование. Это преобразование радиосигнала в управляющий сигнал звуковой частоты соответствующий модуляции сигнала. Функционально это преобразование обратно модуляции.

При приеме телеграфного радиосигнала на выходе детектора выделяется импульсное напряжение, которое поступает на телеграфный аппарат (на рис. 1.3этот канал не показан).

4. Усиление сигнала звуковой частоты. Слабый сигнал на выходе детектора должен быть усилен без искажений до уровня достаточного для воспроизведения с требуемой громкостью.

5. Воспроизведение сигнала − это преобразование его в звук, частота которого совпадает с частотой сигнала, а громкость пропорциональна его амплитуде. В качестве воспроизводящего устройства используется телефон или громкоговоритель.

1.4. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РАДИОТЕХНИКИ

Радиовещание и телевидение. Телефонная передача информации или музыкально-художественных программ, рассчитанная на массового слушателя, называется радиовещанием,

Для телевидения используется передача подвижных черно-белых или цветных изображений со звуковым сопровождением. Возможности телевидения значительно шире, чем у радиовещания. С внедрением системы "Орбита", использующей ретрансляцию через спутники связи, передачи программ телевидения смотрят жители самых отдаленных районов страны. Реализация телевидения стала возможной благодаря освоению диапазонов MB и ДМВ.

Радиосвязь. Радиосвязь − это обмен информацией между двумя или многими корреспондентами с помощью радио. Она может быть' двусторонней или циркулярной, телефонной, телеграфной, фототелеграфной и даже телевизионной. По сравнению с электросвязью, для осуществления которой необходима проводная или кабельная линия, радиосвязь может вестись между корреспондентами, расположенными в любых точках земного шара и космического пространства, а также перемещающимися с любыми скоростями.

Дальняя связь между наземными корреспондентами осуществляется на декаметровых волнах. Освоение диапазона УКВ позволило реализовать многоканальную радиосвязь, при которой для одновременной работы сотен телефонных и телеграфных каналов используется один передатчик и один приемник. Такие сигналы многократно ретранслируются в радиорелейных линиях одновременно с телевизионными сигналами. Ультракороткие волны, пронизывая ионосферу, позволяют использовать этот диапазон волн для связи с космическими объектами.

Сочетание двух вышеназванных свойств УКВ позволило создать космические ретрансляторы − спутники связи. Система таких спутников позволяет осуществлять многоканальную и телевизионную связь на огромные расстояния.

Радиолокация и радионавигация. Способность радиоволн отражаться от различных объектов используется в радиолокации. Измеряя время распространения волн до цели и обратно, определяют дальность цели. Остронаправленное излучение позволяет определить направление на цель. Радиолокация широко используется для навигации, а также для научных исследований, в том числе космических.

Радионавигация − это вождение самолетов и судов с помощью радиотехнических средств. Более подробно об этих средствах рассказывается в следующем параграфе.

Радиотелеметрия и радиотелеуправление. Задачи автоматического измерения и передачи результатов по радиоканалу решает радиотелеметрия.

Радиотелеуправление (радиотелемеханика) − это управление объектами с помощью команд, передаваемых по радиоканалу. Особенно широко системы радиотелеметрии и радиотелеуправления используются в авиации, ракетной технике и космических исследованиях.

Радиоастрономия. Если астрономия изучает строение Вселенной, используя доходящее до нас световое излучение планет, звезд и галактик, то радиоастрономия использует для этой цели их излучение в радиочастотном диапазоне. Современные радиотелескопы имеют огромную чувствительность и острую направленность. Они способны воспринимать весьма слабые излучения, анализ которых лает науке новые ценные сведения о Вселенной.

Радиоэлектроника. Методы и средства радиотехники нашли самое широкое применение в ряде областей науки, техники, народного хозяйства и обороны для решения задач, не связанных с использованием радиоволн. Это прежде всего электронные вычислительные машины, автоматизированные системы управления, применение электронной техники в различных технологических процессах, на учных исследованиях, медицине и других областях. Совместно с Радиотехникой они являются предметом обширной научно-технической области − радиоэлектроники. В табл. 1.2 приведены основные области применения радиотехники и используемые для них диапазоны радиоволн

Таблица 1.2