Радиопередающие устройства. 
Теория электросвязи

Радиопередающее устройство служит для формирования, модуляции и усиления мощности подводимых к антенне и излучаемых в пространство высокочастотных и СВЧ-колебапий.

Общие сведения о радиопередающих устройствах

Радиопередающие устройства состоят из собственно передатчика и передающей антенны. Антенна передатчика предназначена для преобразования тока высокой частоты в энергию излучаемых электромагнитных волн, антенна приемника — для преобразования принятых электромагнитных волн в энергию тока высокой частоты. Характер процессов, происходящих в передающей и приемной антеннах, определяет их обратимость, т. е. одну и ту же антенну можно использовать и для передачи, и для приема.

Передатчики классифицируют по назначению, диапазону волн, излучаемой мощности, виду модуляции сигналов, виду излучения и условиям эксплуатации.

Назначение передатчика определяется системой, в которой он используется. По назначению передатчики бывают связными, вещательными, телевизионными, локационными, телеметрическими, навигационными и т. д.

Радиовещание осуществляется в России в диапазонах километровых, гектометровых, декаметровых, метровых и дециметровых волн. В первых трех диапазонах традиционно используют амплитудную модуляцию с шагом сетки рабочих частот 10 кГц, а в двух последних — широкополосную частотную модуляцию с шагом сетки рабочих частот 250 кГц. Наиболее распространено вещание на метровых волнах в диапазонах 65,8—74,0 МГц (4,56—4,05 м) и 87,5—108,0 МГц (3,43—2,78 м) с применением методов частотной модуляции.

Телевизионное вещание ведется в России в диапазонах метровых, дециметровых и сантиметровых волн. Для телевизионного вещания отведено пять поддиапазонов в метровом и дециметровом диапазонах: I (48,5—66 МГц), II (76−100 МГц), III (174−230 МГц), IV (470−622 МГц), V (622−958 МГц), на которых размещено более 70 каналов. Для кабельного телевидения выделены каналы СК1СК8 и СК11СК18, перекрывающие диапазоны 110—174 и 230−294 МГц.

В системах радиосвязи интенсивно развивается направление, использующее радиоволны СВЧ-диапазона. Свойство этих волн пронизывать ионосферу используется в спутниковых системах телевидения и для связи с космическими кораблями. Для всех спутниковых систем радиосвязи Международным комитетом по регистрации частот (МКРЧ) выделены следующие полосы частот в диапазонах, ГГц: L (1,452—1,500 и 1,610—1,710); 5 (1,930—2,700); С (3,400−5,250 и 5,725−7,075); X (7,250−7,750 и 7,900- 8,400); Ки (10,700−12,750 и 12,750−14,800); К (18,3−20,2 и 27,5−31,5); Ка (14,400−26,500 и 27,000−50,200).

По средней излучаемой мощности передаваемых радиосигналов различают передатчики очень малой (менее 3 Вт), малой (3—10 Вт), средней (10— 500 Вт), большой (0,5—10 кВт) и сверхбольшой (более 10 кВт) мощности.

По виду модуляции сигнала передатчики (и приемники) делятся на устройства с амплитудной (балансной и однополосной), частотной, фазовой, импульсной, квадратурной, импульсно-кодовой и другими видами модуляции.

По виду излучения различают передатчики, работающие в непрерывном и импульсном режимах. В первом случае при передаче сообщения сигнал излучается непрерывно, во втором — в виде радиоимпульсов.

По условиям эксплуатации бывают стационарные, бортовые (космические, корабельные, самолетные, автомобильные) и переносные (портативные) передатчики.

К основным параметрам передатчиков относят КПД, диапазон частот, шаг сетки рабочих частот, выделенную полосу частот излучения, иестабильность частоты несущего колебания, побочные и внеполосные излучения, коэффициент нелинейных искажений, электромагнитную совместимость И т.д.

Коэффициент полезного действия передатчика.

где Р_Л — средняя мощность колебаний в антенне; Р₍₎ — мощность, потребляемая устройством от всех источников питания. КПД современных передатчиков достигает 30—40%, причем он растет с увеличением излучаемой мощности.

Передатчики работают на фиксированных частотах в диапазоне частот несущих колебаний /, …, /_Л" где N — число частот внутри этого диапазона (рис. 7.1).

Шаг сетки рабочих частот Л/в заданном диапазоне определяют как.

Рис. 7.1. Сетка рабочих частот передатчика

Выделенная полоса частот излучения. При любом виде модуляции — амплитудной, частотной, фазовой или импульсной — спектр сигнала становится или линейчатым (рис. 7.2, а), или сплошным (рис. 7.2, б), занимая определенную полосу частот: от верхней /_в до нижней /_и, Д/₍. =/_в -/_м.

Рис. 7.2. Выделенная полоса частот излучения с видами спектров:

а — линейчатым; б — сплошным Для данного спектра выделяется определенная полоса частот Д/_выд. При этом следует соблюдать неравенство Д/₍. < Д/_выд.

Нестабильность частоты несущих колебаний. Различают абсолютную и относительную, а также долговременную и кратковременную нестабильность частоты колебаний. Абсолютная нестабильность представляет собой разность Д/ между текущим /и номинальным / (или /_и) значениями частоты колебаний. В частности, номинальное значение частоты/_н=/₀= 125 мГц, а фактически радиопередатчик формирует сигнал с частотой/= 124,995 мГц. Следовательно, абсолютная нестабильность частоты составит

Относительная нестабильность частоты определяется коэффициентом нестабильности, равным отношению абсолютной нестабильности частоты к ее номинальному значению: А_}- = Д///_н. Тогда относительная нестабильность.

В передатчиках относительная нестабильность частоты не превышает (2-^-3) • 10 ⁶. По международным нормам отклонение от номинала частоты связного передатчика на гектометровых волнах не должна превышать 0,005, для радиовещательных передатчиков отклонение частоты в этом диапазоне должно быть не более 10 Гц.

Побочные излучения передатчика. В идеальном случае передатчик любой системы связи должен излучать только полезный сигнал на несущей частоте, и его спектр должен укладываться в выделенную полосу частот (рис. 7.3, а). Однако нелинейный характер процессов в передатчике приводит к появлению в рабочей полосе побочных (паразитных, в том числе и ИМИ) составляющих /_п (рис. 7.3, б). Побочные излучения вблизи рабочей полосы называются внеполосными. Помимо внеполосных передатчик может излучать гармоники номинальной частоты /_н = /₀ — сигналы с частотами 2/₀, 3/₀ и т. д., а также субгармоники — сигналы с частотами ниже номинальной: fjn (п= 1,2,…).

Рис. 7.3. Излучения передатчика:

а — без побочных составляющих; б — с наличием побочных составляющих Кроме того, возможно излучение паразитных колебаний, причиной возникновения которых является самовозбуждение в мощных усилительных каскадах радиопередатчика. Поскольку полностью исключить побочные излучения нельзя, то устанавливают норму на их значение или в абсолютных, или в относительных единицах к мощности полезного излучения. Обычно уровень мощности внеполосных излучений должен быть не менее 60 дБ от мощности полезного сигнала. На некоторых частотах норма может составлять 100 дБ и более.

Электромагнитная совместимость. В мире работают огромное количество передатчиков, создающих вокруг Земли электромагнитное иоле. При одновременной работе множества систем помехи приему неизбежны. Интенсивность помех определяется числом действующих излучателей, их мощностью, расположением в пространстве, формой диаграммы направленности антенн и т. д. Способность систем связи одновременно функционировать в реальных условиях с требуемым качеством при воздействии на них непреднамеренных электромагнитных помех и не создавать недопустимых таких же помех другим радиосистемам называют электромагнитной совместимостью (ЭМС).

Передатчику каждой системы связи отводится определенная полоса частот, в которой допускается радиоизлучение. Однако любой передатчик помимо полезного сигнала излучает и побочные колебания, которые по отношению к другой системе являются помехами. Рассмотрим диаграммы на рис. 7.3, б. Пусть номинальная частота передатчика одной системы равна /₀. Но помимо нее антенна излучает и радиосигнал на частоте 2/₀, пусть и малой мощности. На эту частоту может быть настроен приемник соседней системы связи. По отношению к ней сигнал с частотой 2/₀ будет являться помехой.

Параметры передаваемого сообщения. Сообщением может быть речевая, факсимильная, телевизионная, телеметрическая и другая разнообразная информация, в том числе и считываемая с компьютера.

Нелинейные цени в передатчике вызывают появление нелинейных искажений (высших гармоник и ИМИ) сигналов. Побочные излучения попадают в частотный диапазон других систем и создают им помехи в работе. Кроме нелинейных, в передатчике возникают и линейные искажения, связанные с прохождением сигналов через фильтры с неидеальными АЧХ и нестрого линейными ФЧХ.

Конструкции, габаритные размеры и масса передатчиков в основном определяются средней излучаемой мощностью.

Структурная схема современного передатчика (рис. 7.4) содержит:

• • источник кодированного сообщения, которое требуется передать;
• • задающий генератор (ЗГ) частоты, создающий высокостабильное гармоническое колебание;
• • синтезатор сетки несущих частот;
• • модулятор;
• • усилитель мощности (УМ);
• • выходную (согласующую) цепь и антенну.

Рис. 7.4. Обобщенная структурная схема современного передатчика