Средства авиационной связи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Украины

Кировоградская летная академия Украины

Национального авиационного университета

Учебное пособие

Радиооборудование. Часть 1. Средства авиационной связи

Хафизов А.В.

Кировоград

2013

УДК 629.7.052

ББК 39.56

Ха 12

Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів, які навчаються за напрямом підготовки "Аеронавігація" та "Обслуговування повітряних суден" (лист №1/11-18272 від 27.11.2013)

Радиооборудование. Часть 1. Средства авиационной связи: Учебное пособие / Хафизов А.В. - Кировоград: КЛА НАУ, 2013. - 136 с.

ISBN 978-966-7878-47-4

Ил. 77, табл. 8, лит. ист. 30.

Изложены основы теории передачи речевых сообщений и передачи данных по каналам авиационной подвижной воздушной службы (AMS) и спутниковой службы (AMSS).

Рассмотрены принципы построения авиационных радиостанций и аппаратуры внутрисамолетной связи на уровне функциональных и структурных схем, а также основные технические характеристики, органы управления и индикации, порядок проверки работоспособности современного бортового оборудования связи.

Приведены рекомендации ИКАО по принципам организации авиационной электросвязи и основным техническим характеристикам бортовых средств связи.

Пояснены принципы организации систем сотовой и спутниковой связи, как основы единой глобальной системы широкополосной связи.

Учебное пособие предназначено для курсантов факультета летной эксплуатации КЛА НАУ при изучении оборудования в соответствии с учебной программой "Радиооборудование", а также для студентов других авиационных учебных заведений.

Рецензенты: Кравченко Ю.В. - профессор кафедры применения космических систем и геоинформационного обеспечения Национального университета обороны Украины, д.т.н., профессор;

Осадчий С.И. - зав. кафедрой автоматизации производственных процессов Кировоградского национального технического университета, доктор технических наук, профессор.

Рассмотрено и рекомендовано для издания и использования в учебном процессе решением кафедры авиационного оборудования, протокол №3 от 23.10.2012 г.

ISBN 978-966-7878-47-4

© Хафизов А.В., 2013

Содержание

Введение

Раздел 1. Основные понятия электросвязи

1.1 Информация, сообщение, сигнал

1.2 Преобразователи сообщений и сигналов

1.3 Электрические сигналы: классификация, параметры

1.3.1 Понятие спектра сигнала

1.3.2 Спектр периодической последовательности прямоугольных импульсов

1.4 Понятия системы связи, канала связи и их классификация

Контрольные вопросы

Раздел 2. Радиоканалы передачи речевых сообщений

2.1 Радиоканалы с амплитудной модуляцией

2.2 Радиоканалы с однополосной модуляцией

Контрольные вопросы

Раздел 3. Радиоканалы передачи данных

3.1 Основные положения теории передачи данных

3.2 Метод импульсно-кодовой модуляции (ИКМ)

3.3 Способы манипуляции в цифровых радиоканалах

3.4 Структурная схема радиоканала с ИКМ

3.5 Радиоканалы передачи данных в авиационной подвижной службе (AMS)

3.5.1 Назначение и структура системы передачи данных

3.5.2 Состав бортовой системы передачи данных

3.5.3 Адресно-отчетная система авиационной связи ACARS

Контрольные вопросы

Раздел 4. Бортовые средства связи

4.1 Основные положения по организации связи в гражданской авиации

4.2 Состав бортового оборудования связи

4.3 Бортовые радиостанции

4.3.1 Требования ИКАО к техническим характеристикам радиостанций

4.3.2 Функциональное построение бортовой радиостанции

4.3.3 Назначение и принцип работы синтезатора частоты

4.3.4 Особенности построения структурных схем бортовых радиостанций

4.3.5 Назначение органов управления и порядок проверки работоспособности радиостанций

4.4 Аппаратура внутрисамолетной связи: назначение, принципы построения

4.5 Бортовые устройства записи речевых сообщений (речевые регистраторы)

4.5.1 Назначение и принцип действия

4.5.2 Требования ИКАО и основные характеристики бортовых регистраторов

4.5.3 Комплект, особенности, органы управления и индикации

Контрольные вопросы

Раздел 5. Системы широкополосной связи

5.1 Сотовые системы связи

5.1.1 Назначение и принцип организации сотовой связи

5.1.2 Состав и функционирование сотовой системы связи

5.1.3 Технологии множественного доступа

5.1.4 Стандарты и технологии

5.2 Спутниковые системы связи

5.2.1 Назначение и состав спутниковых систем связи

5.2.2 Структура построения сетей спутниковых служб

5.2.3 Основные факторы, влияющие на качество спутниковой связи

5.2.4 Характеристика спутниковых систем связи

Раздел 6. Спутниковая система поиска и спасания COSPAS-SARSAT

6.1 Назначение и состав системы COSPAS-SARSAT

6.2 Принцип определения местоположения радиобуя в системе COSPAS-SARSAT

6.3 Перспективные направления развития COSPAS-SARSAT

6.4 Аварийный радиомаяк АРМ-406П

6.5 Аварийный радиомаяк АРМ-406АС1

Контрольные вопросы

Список сокращений

Библиографическое описание

Введение

Средства связи являются составной частью радиотехнического оборудования самолета, и предназначены для передачи и приема информации. Своевременность, достоверность, целостность и непрерывность передачи и получения информации, являются критериями надежной связи. Надежная связь - это обязательный и необходимый компонент обеспечения регулярности и безопасности полетов.

В системе "оператор-средство связи", важной составляющей в обеспечении надежной связи, является оператор, точнее его действия по включению, настройке, проверке работоспособности, применению других способов и, быть может, резервных вариантов передачи и приема информации. Все эти действия, рассматриваемые в комплексе, назовем грамотной эксплуатацией.

Грамотная эксплуатация средства связи летным экипажем, возможна при условии:

- твердых знаний по решаемым задачам, техническим характеристикам средств авиационной связи, условиям их применения и эксплуатации;

- понимания "процессов преобразования", которые происходят в аппаратуре связи, структуры ее построения, особенностей режимов работы, а также воздействия органов управления и регулировок на ее возможности;

- умения проводить анализ и оценку влияния отказа или неисправности некоторых элементов аппаратуры на ее работоспособность в целом;

- осознанного выполнения проверки работоспособности аппаратуры перед полетом и эксплуатации ее в полете.

Под "процессами преобразования" понимаются процессы, связанные с преобразованием электрического сигнала, в форму и параметры которого, "закладывается" информация. Поэтому, в разделах 1 и 3 рассматриваются параметры аналогового и цифрового сигналов. Особое внимание уделяется понятиям ширины спектра сигнала и полосы пропускания канала связи, так как, достоверность принятой информации во многом зависит от согласованности параметров сигнала и канала связи.

На самолетах, эксплуатируемых в настоящее время, применяется довольно обширный перечень оборудования связи, среди которого встречается оборудование, установленное еще в 60-е годы прошлого века, и оборудование, изготавливаемое современной промышленностью. Поэтому в учебном пособии, наряду с рассмотрением современного оборудования связи, рассматривается также, в плане обзора, и "устаревшее", которое еще применяется на большинстве самолетов отечественного производства.

Учитывая переход современных средств коммуникации на цифровые способы передачи информации, а в перспективе на единую глобальную систему связи, в учебном пособии рассматриваются вопросы теории передачи данных, организации и применения системы передачи данных в гражданской авиации (система ACARS, каналы связи режима S, каналы спутниковой системы связи). Причем, технологии и стандарты связи, включая способы множественного доступа, применяемые в спутниковых системах, во многом схожи с наземными сотовыми системами связи. Поэтому при изложении материала по принципу работы спутниковых систем, приводятся ссылки на рассмотренные, похожие принципы в сотовых системах.

Структура пособия и включенный в него учебный материал, базируется на полученных курсантами знаниях по теории распространения радиоволн, работы антенн, схем усилителей, модуляторов, детекторов и элементов (диодов, транзисторов и др.), образующих данные схемы.

Раздел 1. Основные понятия электросвязи

1.1 Информация, сообщение, сигнал

В общем случае, информация есть совокупность сведений о каких-либо событиях, явлениях или предметах. Задача электросвязи состоит в том, чтобы передать информацию от отправителя к получателю. Информация передается в виде сообщений, т.е. сообщение - это форма представления информации, предназначенная для передачи.

Различают оптические (телеграмма, письмо, фотография) и звуковые (речь, музыка) сообщения. Документальные сообщения наносятся на определенные носители (например, на бумагу). Сообщения, предназначенные для обработки в компьютерных системах, называют данными.

Сообщения могут быть представлены множеством своих элементов. Если сообщение состоит из конечного числа элементов, например, из совокупности букв и цифр, то такое сообщение называется дискретным. При бесконечном числе элементов - сообщение является непрерывным. Примером непрерывного сообщения может служить речевое сообщение.

В электросвязи передача сообщений осуществляется с помощью электрических сигналов. Электрический сигнал является носителем или транспортировщиком сообщения.

Таким образом, для передачи сообщений от источника к потребителю сообщений, следует преобразовать сообщения в электрические сигналы, затем организовать передачу сигналов, их прием и выполнить обратное преобразование принятых сигналов в исходное сообщение.

1.2 Преобразователи сообщений и сигналов

Существуют различные способы преобразования звуковых и оптических сообщений в электрические сигналы и преобразования электрических сигналов в сообщения. Не вдаваясь в детали рассмотрения всех способов преобразования, остановимся лишь на принципе действия некоторых преобразователей звука и изображения.

Преобразование звука

Прибор для преобразования звуковых колебаний (переменного звукового давления) в электрические сигналы называется микрофоном [8].

По способу преобразования звуковых колебаний в электрические, различают микрофоны угольные, пьезоэлектрические, электромагнитные, динамические и конденсаторные. Наиболее простым является угольный микрофон (рис. 1.1), принцип действия которого, основан на изменении электрического сопротивления угольного порошка, вследствие изменения его плотности при колебательных движениях мембраны. Изменение сопротивления приводит к образованию переменного напряжения или тока, изменяющегося в такт со звуковыми колебаниями. Изменяющееся по величине напряжение или ток является электрическим сигналом.

Преобразование электрического сигнала в звуковые колебания осуществляется, как правило, с помощью телефона или электродинамического громкоговорителя [8].

Устройство телефона показано на рис. 1.2. Электрический сигнал поступает на обмотки электромагнита. Изменение тока сигнала приводит к образованию изменяющегося магнитного потока Ф~. На мембрану действует сила, определяемая магнитным потоком Ф~ и магнитным потоком постоянного магнита Ф=, вынуждая ее колебаться с частотой тока, протекающего по обмоткам электромагнита. Колебания мембраны вызывают колебания воздуха - звук.

Таким образом, при передаче - сообщение с помощью микрофона преобразуется в электрический сигнал, в котором содержится "отпечаток" сообщения в виде изменяющегося по величине тока или напряжения, а при приеме - электрический сигнал преобразуется с помощью телефона в сообщение.

Преобразование оптического сообщения

Оптическое сообщение содержится в величине светового потока, отраженного от объекта. Преобразование оптического сообщения в электрический сигнал осуществляется устройствами, принцип действия которых основан на внутреннем и внешнем фотоэффектах. Внутренний фотоэффект проявляется в изменении свойств некоторых веществ под влиянием света (например, электропроводность). Внешний фотоэффект заключается в испускании электронов телами под действием света.

Для преобразования неподвижного изображения, например изображения на бумаге, используется внешний фотоэффект, реализация которого осуществляется на основе фотоэлемента.

Рассмотрим принцип действия фотоэлемента (рис. 1.3) [8].



На внутреннюю поверхность вакуумной колбы нанесен фотокатод, обладающий внешним фотоэффектом. Под влиянием светового потока (2) фотокатод испускает электроны, которые под действием электрического поля движутся к аноду.

В цепи фотоэлемента возникает электрический ток - фототок. Сила фототока пропорциональна величине светового потока, но эта сила настолько мала, что требует усиления. Задача усиления фототока решается с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Фототок усиливается в ФЭУ в результате явления вторичной электронной эмиссии, которая заключается в испускании электронов поверхностью твердого тела при ее бомбардировке электронами. При этом количество испускаемых (вторичных) электронов намного больше бомбардирующих (первичных). С помощью ФЭУ удается усилить фототок почти в 100 раз.

Рассмотрим преобразование изображения, нанесенного на бумагу, в электрический сигнал.

Изображение разбивается на множество элементарных площадок. Размеры площадок выбираются с таким расчетом, чтобы отражательная способность каждой площадки в пределах ее границ не менялась. На рис. 1.4 изображена данная процедура. Здесь небольшой участок изображения буквы "А" (обведенный прямоугольником) разбит на элементарные площадки.



С помощью оптических линз формируется узкий световой пучок, который образует на поверхности изображения световое пятно, по форме и размерам соответствующее элементарной площадке. Если этот пучок направить на элементарную площадку изображения, а свет, отраженный от нее, направить на ФЭУ, то на выходе последнего возникнет электрический ток. Световой пучок поочередно, в определенной последовательности "обходит" все элементарные площадки изображения, поэтому на выходе ФЭУ образуется ток, сила которого меняется в соответствии с отражательной способностью элементарных площадок. Для примера рис. 1.4, при прохождении световым пучком 5-й строки изображения (снизу), форма тока на выходе ФЭУ будет иметь вид, показанный на рис. 1.5.

Процесс последовательного преобразования элементов изображения в электрический сигнал называется анализом, а само устройство - анализирующим или модулятором. Электрический сигнал, сформированный таким образом, часто называют видеосигналом.

Для получения видеосигнала, соответствующего изображению, обычно используется механическая развертка, при которой изображение перемещается по горизонтали и вертикали перед ФЭУ.

Такой принцип преобразования применяется, например, для передачи изображений (рисунков, чертежей, фотографий, текстов, газетных полос и так далее) в факсимильной связи. На рис. 1.6 изображена схема факсимильной связи [8].

На приемном барабане устанавливается фоточувствительная бумага. Запись ведётся источником света, яркость которого промодулирована видеосигналом. Приемное устройство называется синтезирующим или демодулятором.

Для преобразования подвижного изображения в электрический сигнал необходима очень высокая скорость развертки, которая может быть обеспечена только электронными средствами. Преобразование в этом случае осуществляется с помощью передающей телевизионной трубки [9].

Рассмотрим принцип действия передающей телевизионной трубки типа видикон (рис. 1.7).



Изображение передаваемого объекта (1) проецируется с помощью объектива (2) через стекло вакуумного баллона (3) на светочувствительный слой (5), именуемый мишенью.

Этот слой нанесен на пластину (4) - прозрачную для света металлическую пленку, нанесенную на внутреннюю поверхность стекла (3). Электронный прожектор (7) создает электронный луч (6), который концентрируется на мишени фокусирующей системой (ФС). Развертка - движение луча по строкам (горизонтали) и перпендикулярно к ним (по вертикали) - производится с помощью отклоняющей системы (ОС). Под действием попавшего на мишень света электрическое состояние мишени вследствие внутреннего фотоэффекта изменяется.

При проецировании изображения на мишень проводимость отдельных ее участков изменяется пропорционально их освещенности. Чем выше освещенность, тем больше проводимость мишени. Проводимость всех неосвещенных участков минимальна и одинакова.

Разность между токами iс, протекающими через резистор нагрузки R, когда электронный луч развертки находится на освещенном и неосвещенном участках, образует сигнал изображения. Напряжение видеосигнала uс снимается с резистора R.

Таким образом, световой поток, отраженный от подвижного изображения преобразуется в видиконе в проводимость мишени. С нагрузки R снимается электрический сигнал (видеосигнал), в изменении амплитуды которого, заложено сообщение.

Для преобразования видеосигнала в оптическое изображение, применяются различные способы. Наибольшее распространение получили электромеханический, фотографический, электрохимический и электронный.

В качестве примера рассмотрим электронный способ, который основан на применении приемной телевизионной трубки - кинескопа, изображенного на рис. 1.8 [9].

Здесь используется электронная схема развертки.

Кинескоп представляет собой стеклянный вакуумный баллон (6). На внутреннюю поверхность широкой части баллона нанесен слой люминофора (7) - вещества, способного светиться при облучении его электронами.

Источником электронов в кинескопе является электронный прожектор (1), создающий поток электронов, который под действием фокусирующей системы (не показано на рисунке) формируется в электронный луч (5). Этот луч под действием ускоряющего электрического поля анода (3) направляется на люминофор, вызывая свечение того участка, на который он падает.

Яркость свечения участка люминофора зависит от силы тока луча, а ток луча определяется напряжением на управляющем электроде (2). На управляющий электрод кинескопа подается видеосигнал, в изменении амплитуды которого, заложен "отпечаток" сообщения. Этот сигнал и определяет силу тока луча и яркость свечения того или иного участка люминофора.

Под действием отклоняющей системы (4) электронный луч "пробегает" всю поверхность люминофора, высвечивая на нем строку за строкой. Если лучи передающей трубки и кинескопа движутся синхронно и синфазно, луч кинескопа будет создавать на экране изображение, соответствующее тому, которое передается.

Скорость движения луча по экрану обеспечивает формирование 24 кадров в секунду.

Таким образом, искомое сообщение проявляется в яркости свечения участком экрана кинескопа.

1.3 Электрические сигналы: классификация, параметры

Электрические сигналы различают на непрерывные и дискретные сигналы. Непрерывный электрический сигнал часто называют аналоговым.

Аналоговые сигналы, например речевые, описываются непрерывной функцией времени (рис. 1.9).

Дискретные электрические сигналы характеризуются конечным числом значений информационного параметра. Например, электрический сигнал, изображенный на рис. 1.10, имеет 9 значений амплитуды. Подобной формы сигнал может быть на выходе видикона в телевидении или же, ФЭУ в факсимильной связи.

В системе передачи данных, информационный параметр может принимать одно из двух значений: "1" или "0"; где значению "1" соответствует высокий уровень напряжения или тока, а значению "0" - низкий. Дискретные электрические сигналы такого вида называются цифровыми (рис. 1.11).

Сигналы делятся также на периодические, значения которых повторяются через определённые промежутки времени, и непериодические.

Простейший периодический сигнал имеет форму гармонического колебания (рис. 1.12), математическое выражение которого, имеет следующий вид:

, (1.1)

где: u - мгновенное или текущее значение напряжения сигнала;

Um - амплитудное значение напряжения (амплитуда);

щ - угловая (круговая) частота сигнала. Период T, угловая частота щ и частота f связаны зависимостью: щ = 2рf, f = 1/T;

- начальная фаза. Начальная фаза сигнала на рис. 1.12 равна 180°.

Для гармонических сигналов, период T соответствует одному колебанию, т.е. в течение периода текущая фаза сигнала изменяется от 0є до 360є. Величина, обратная периоду называется частотой. Частота f характеризует количество колебаний в единицу времени. Например, частота f = 50 Гц означает, что в течение одной секунды совершается 50 колебаний. Применяется также другая размерность: килогерц (1 кГц = 103 Гц); мегагерц (1 МГц = 106 Гц); гигагерц (1 ГГц = 109 Гц).

1.3.1 Понятие спектра сигнала

Как известно, обычный видимый свет является сложным, состоящим из простейших цветов (цвета радуги), каждый из которых, имеет свою частоту электромагнитных колебаний. Эти цвета образуют спектр света.

В системах электросвязи также приходится иметь дело со сложными сигналами, которые, в общем случае, состоят из простейших гармонических колебаний разных частот.

Например, на рис. 1.13 представлен результат алгебраического сложения трех гармонических сигналов u1, u2 и u3, периоды колебаний которых, соответственно Т1, Т2 и Т3 [11].

Причем, частота (F = 1/Т) сигналов u2 и u3 является кратной F1, т.е. F2=2F1 и F3=3F1. Справа от временных диаграмм (рис. 1.13,б), сигналы представлены в виде амплитудно-частотного спектра. На этих диаграммах, ось абсцисс образует шкалу частот f = nF1, где n - целое число, а на оси ординат откладываются отрезки, длина которых пропорциональна амплитудным значениям Unm сигналов (без учета начальных фаз гармоник).

Как видим (рис. 1.13,а), форма суммарного сложного сигнала u?, повторяется через временной промежуток Т. Следовательно, этот сигнал является периодическим, период колебания которого, равен периоду колебания сигнала u1, т.е. Т = Т1.

Таким образом, если результатом сложения нескольких гармонических сигналов, является периодический сложный сигнал, то, очевидно, и любой сложный периодический сигнал можно разложить на простейшие гармонические составляющие.

Так в соответствии с [11], любой сложный периодический сигнал можно представить в виде совокупности простейших гармонических сигналов, значения амплитуд (Unm), частот (щn) и начальных фаз (цn) которых, можно найти посредством разложения в ряд Фурье:

, (1.2)

где n = 1,2,3… - целое число, а Щ = 2рF, F=1/Т.

Примечание. В дальнейшем, частоту высокочастотного колебания будем обозначать буквой f, а низкочастотного - F.

Гармонические сигналы, частота которых F1 = F, F2 = 2F, F3 = 3F и т.д. именуются соответственно: первая, вторая, третья гармоники.

Таким образом, спектр сигнала - это совокупность гармоник (гармонических составляющих) с конкретными значениями частот и амплитуд, образующих в сумме сложный электрический сигнал. Спектр может быть представлен в виде графического изображения, т.е. изображения амплитуд гармоник на оси частот (рис. 1.13, б).

Характерно, что спектр периодических сигналов не сплошной, а линейчатый, т. е. между соседними линиями спектра имеются "просветы" шириной в частоту следования сигнала F = 1/Т.

Более сложный сигнал, например, приведенный на рис. 1.9 (круче изгибы), характеризуется большим количеством составляющих от Fн до Fв, где Fн и Fв соответственно нижняя и верхняя составляющие спектра сигнала.

Интервал (диапазон) частот Fв - Fн = ДF называется шириной спектра сигнала. Ширина спектра сигнала - это интервал (диапазон) частот, в пределах которого сосредоточена основная часть энергии сигнала.

Так, спектр звукового сигнала (музыка и пение, включающие в себя и спектр речи) имеет общую ширину 20...20 000 Гц и зависит от класса вещания: 1-ый класс - 50...10 000 Гц; высший класс - 30...15 000 Гц и т.д.

Частотный спектр речи лежит в пределах: от 50 Гц до 10 000 Гц. Частота основного тона речи находится в пределах от 50...80 Гц (самый низкий мужской) до 200...250 Гц (самый высокий женский или детский).

Звуки речи различных людей отличаются количеством формант (спектральных областей резонанса при произношении звуков речи) и их мощностью. Из рис. 1.14 [3] видно, что форманта буквы "А" находится в спектре частот, близких к частоте 950 Гц, а форманта буквы "Е" - к частоте 690 Гц. Установлено экспериментально, что все остальные форманты гласных и согласных звуков, из которых складывается речь, не выходят за пределы спектра 300...3400 Гц.

В соответствии с МСЭ-Т (Международной организацией по электросвязи), качество речи можно считать удовлетворительным, если передаются шесть формант. Спектр частот, при этом, может быть ограничен диапазоном 300 - 3400 Гц [4]. Такой сигнал называется сигналом тональной частоты (ТЧ).

1.3.2 Спектр периодической последовательности прямоугольных импульсов

Рассмотренные сигналы речевых сообщений относятся к непрерывным (аналоговым) сигналам. Вместе с тем, в факсимильной, телевизионной связи, в системе передачи данных, приходится иметь дело с сигналами другой формы (рис. 1.10 и рис. 1.11), спектр которых, отличается от аналоговых.

Рассмотрим спектр периодической последовательности импульсов, временная диаграмма которой представлена на рис. 1.15,а.

Периодическая последовательность импульсов, характеризуется такими параметрами:

- периодом следования TC или частотой повторения импульсов FC = 1/TC;

- амплитудой импульса Um;

- длительностью импульса ф.

Не приводя математических выкладок, просто продемонстрируем, что данную последовательность импульсов можно получить путем алгебраического сложения:

- постоянного напряжения U0 (постоянная составляющая) (рис. 1.15,б);

- косинусоидального колебания первой гармоники с частотой FC = 1/TC (рис. 1.15,в);

- косинусоидального колебания второй гармоники с частотой 2FC (рис. 1.15,г);

- косинусоидального колебания третьей гармоники с частотой 3FC (рис. 1.15,д) и т.д.

Чем больше гармоник "участвует" в таком алгебраическом сложении, тем ближе суммарное колебание к форме импульсной последовательности.

На рис. 1.16 приведена спектральная диаграмма периодической последовательности прямоугольных импульсов, на которой пунктирной линией изображена огибающая спектра.



В спектральной диаграмме, на "нулевой" частоте указана спектральная линия постоянной составляющей U0, затем линия первой гармоники на частоте FC, линия второй гармоники на частоте 2FC, и т.д. Амплитуда каждой последующей гармоники меньше предыдущей, т.е. U1m>U2m>U3m…, а их частота кратна частоте следования FC.

Форма огибающей спектра определяется отношением sinx/x, где x = nFC, n - целое число. Как видим, огибающая спектра по форме представляет затухающую кривую, которая пересекает ось абсцисс через равные интервалы частот 1/ф, 2/ф, 3/ф, ..., причем в первых двух ветвях, т.е. в диапазоне частот от 0 до 2/ф, сосредоточено 95 % всей энергии импульса, остальные же 5% приходятся на частоты от 2/ф до ?.

Чем меньше длительность импульса ф, тем шире область частот спектра, в пределах которой распределяется основная часть энергии импульсов. Например, для ф = 1 мкс, ширина спектра ?F = 2/ф = 2/10-6 = 2 МГц (с сохранением 95% энергии импульсов), а для ф = 0,1 мкс, ?F = 20 МГц. Для приема таких импульсных последовательностей, ширина полосы пропускания приемника должна быть 2 МГц для ф = 1 мкс и 20 МГц для ф = 0,1 мкс. Количество спектральных линий в пределах частотного диапазона от 0 до 1/ф, зависит от соотношения между периодом следования TC и длительности импульса ф. Демонстрация такой зависимости приведена на рис. 1.17.



Как видим, если длительность импульса составляет половину периода колебания (колебание изображено пунктирной линией) или половину периода следования TC, т.е. фИ1 = TC /2, то на спектральной диаграмме (рис. 1.17,б) в пределах частотного промежутка от 0 до 1/фИ1 помещается две спектральные линии FC и 2FC (составляющая на частоте 2FC равна нулю). При уменьшении длительности импульса вдвое (фИ2 = TC /4), на частотном промежутке от 0 до 1/фИ2 размещается уже четыре спектральные линии FC, 2FC, 3FC и 4FC (не считая спектральной линии постоянной составляющей) (рис. 1.17,г).

Таким образом, чем больше отношение TC /ф, тем большее количество спектральных составляющих помещается в пределах частотного диапазона от 0 до 1/ф.

При одновременном изменении и периода следования и длительности импульса, причем так, что отношение TC/ф остается неизменным, происходит только расширение или сужение спектра, число же спектральных линий не изменяется. На рис. 1.18 приведен пример расширения спектра сигнала для случая, если и период следования и длительность импульса уменьшается в полтора раза.

В существующих системах связи, ширина спектра сигналов рассчитывается исходя из следующих соображений.

В телеграфии длительность импульса (при скорости Fс = 50 импульсов/с) составляет 1/50 = 0,02 с. При этом, ширина спектра таких сигналов F = 2/ф = 2/0,02 с = 50 Гц. При скорости 2400 импульсов/с (среднескоростная система передачи данных) ширина спектра сигнала равна примерно 4800 Гц.

Спектр факсимильных сигналов (§1.2) обычно имеет полосу частот 1500-3000 Гц. Ширина спектра факсимильного сигнала зависит от скорости развертки изображения и размеров светового пятна. Например, на стандартном листе бумаге форматом А4, в одной строке помещается примерно 1000 черно-белых элементов изображения при ширине светового пятна 0,2 мм. Если скорость развертки составляет 60 строк в минуту, т.е. каждая строчка считывается за 1 с, то за эту секунду 500 раз будет осуществлен переход с черного на белое или наоборот, и, следовательно, максимальная частота чередования импульсов - 500 Гц.

Для передачи газет применяются высокоскоростные факсимильные аппараты с шириной светового пятна 0,05 мм (в обычном случае 0,1-0,2 мм). Это требует повышенную скорость развертки и позволяет передавать одну полосу газеты за 2-3 мин. Таким образом, спектр факсимильного сигнала при передаче газетных полос расширен до 180 кГц.

Для определения ширины спектра телевизионных сигналов, образуемых на выходе видикона (§1.2), воспользуемся следующими рассуждениями.

Движение развертки в видиконе осуществляется построчно и покадрово. При количестве строк 625, количестве элементов в каждой строке 833 и 25 кадрах в секунду, частота чередования импульсов (переход с черного на белое и наоборот) составит: 625·833·25 = 13 015 625/2 = 6,5 МГц. Нижней границей берется граница звукового сигнала 50 Гц.

В таблице 1.1 дано обобщение по ширине спектров некоторых сигналов.

Таблица 1.1 - Ширина спектра сигналов электросвязи [7]

Вид сигнала	Ширина спектра (средняя), Гц
Телеграфный сигнал	0...100
Телефонный сигнал (речевой)	300..3 400
Звуковое вещание (музыка, пение)	20…20 000
Факсимильный сигнал	0...3000 при скорости 120 строк/мин 0...180 000 при передаче газет
Телевизионный сигнал	50...6 500 000

1.4 Понятия системы связи, канала связи и их классификация

Системой связи называется совокупность технических средств, обеспечивающая передачу сообщений от отправителя (источника сообщения) к получателю. На рис. 1.19 приведена структурная схема системы связи [8, 9].

В качестве преобразователей сообщение-сигнал (Пр. СС1) могут быть устройства, рассмотренные в разделе 1 (микрофон, фотоэлемент, видикон и др.). Электрический сигнал на выходе преобразователя называется первичным сигналом. Первичный сигнал, не всегда удобно (а иногда невозможно) непосредственно передавать по линии связи. Поэтому в преобразователе (Пр. ПС-ВС), первичный сигнал преобразуется, в так называемый, вторичный сигнал (например, радиосигнал), который поступают на линию связи.

Линией связи называется физическая среда, в которой происходит передача электрического сигнала.

В преобразователе (Пр. ВС-ПС) вторичный сигнал вновь преобразуется в вид, подобный первичному сигналу.

Полного подобия первичного сигнала невозможно получить из-за влияния внешних и внутренних помех, т.е. принятый сигнал искажен по сравнению с переданным сигналом. К внешним помехам относятся космические, атмосферные, промышленные, помехи от посторонних радиостанций. Внутренние помехи обусловлены процессами преобразования в самой аппаратуре связи.

В преобразователе сигнал-сообщение (Пр. СС2) электрический сигнал преобразуется в сообщение. В качестве таких преобразователей могут быть: телефон, синтезирующее устройство в факсимильной связи, кинескоп и др.

Рассмотренная схема системы связи (рис. 1.19), когда передается сигнал от одного источника, называется одноканальной.

Каналом связи называется совокупность технических средств, обеспечивающая передачу электрического сигнала.

Как видим, система связи объединяет устройства, начиная и оканчивая с сообщения, а канал связи - с электрического сигнала.

Важным параметром любого канала связи является его полоса пропускания 2Дfк. По аналогии с колебательным контуром [11], полоса пропускания определяется на основе амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) канала связи и отсчитывается на уровне 0,707 от максимального значения. Полоса пропускания характеризует ширину полосы частот электрического сигнала, которую канал связи может передать без существенных искажений.

Одним из условий неискаженной передачи сигнала по каналу связи является соотношение 2Дfк ? ДF, где ДF - ширина спектра электрического сигнала.

На рис. 1.20 приведен пример искажения сигнала, если полоса пропускания канала связи (рис. 1.20,в) меньше, чем ширина спектра сигнала (рис. 1.20,б). Из рисунка видно, что ослабляются первая и вторая гармонические составляющие, а составляющие, начиная с третьей гармоники, полностью подавляются.

Система связи, обеспечивающая одновременную и независимую передачу сообщений от нескольких отправителей к такому же числу получателей, называется многоканальной. При многоканальной организации связи используются общие преобразователи первичных сигналов во вторичные и обратно, общая линия связи, а электрические сигналы различных источников сообщений наделяются специальными признаками, по которым их можно будет различить при приеме.

В системах авиационной радиосвязи таким признаком является несущая частота, а в системах передачи данных - несущая частота, временной промежуток использования канала, форма сигнала и пр.

При классификации систем связи учитывают не только вид передаваемой информации (системы телефонной связи, телеграфной, телевизионной и др.), но и назначение, и структуру ее построения (системы спутниковой связи, системы сотовой мобильной связи, радиосвязи) и т.д.

Классификация каналов связи зависит от критериев, принятых за основу. Такими критериями могут быть: вид передаваемых сигналов, тип линии связи, ее протяженность и т.д.

В зависимости от вида передаваемых сигналов различают каналы связи:

- аналоговые;

- цифровые.

В зависимости от линии связи:

- радиоканалы (воздушная или безвоздушная среда);

- каналы проводной связи (провода, кабели и др.).

В свою очередь, в зависимости от протяженности радиолинии, радиоканалы могут быть каналами:

- глобальной связи (пределах земного шара);

- дальней связи (от 3000 до 10 000 км);

- средней дальности связи (от 400-500 км до 3000 км);

- ближней связи (до 400-500 км).

В зависимости от направления передачи сообщений, каналы подразделяются на:

- симплексные;

- дуплексные.

Симплексной называется двухсторонняя связь, при которой передача и прием сообщений производится поочередно на одной частоте. В системах дуплексной связи передача осуществляется одновременно с приемом.

Контрольные вопросы

1) Чем отличаются понятия "информация", "сообщение", "сигнал"?

2) Какова задача систем электросвязи?

3) В каком параметре сигнала на выходе микрофона содержится "отпечаток" сообщения?

4) От чего зависит сила фототока на выходе фотоэлемента?

5) Объясните принцип факсимильной связи.

6) От чего зависит форма и параметры сигнала на выходе видикона?

7) Назначение и принцип действия кинескопа.

8) Какие сигналы называются цифровыми?

9) От чего зависит ширина спектра сигнала?

10) Что называется гармоникой?

11) Какие сигналы называются сигналами тональной частоты?

12) От чего зависит ширина спектра последовательности прямоугольных импульсов?

13) Чем канал связи отличается от системы связи?

14) Какие радиоканалы называются симплексными?

15) Что называется первичным электрическим сигналом?

Раздел 2. Радиоканалы передачи речевых сообщений

В каналах радиосвязи передача сообщений от передающего устройства к приемному устройству осуществляется посредством радиоволн.

Излучение и прием радиоволн осуществляется антеннами. Для эффективности излучения и приема, размеры антенны должны быть сравнимы с длиной излучаемой радиоволны л. Обычно размер антенны L должен выбираться из соотношения L = л/4. Например, если на передающую антенну поступает сигнал частотой f = 100 МГц, то при длине радиоволны л = с/f = 3 ·108/108 = 3 м, длина антенны должна быть L = 3 м /4 = 0,75 м, где c = 3·108 м/с - скорость распространения радиоволн в свободном пространстве.

Частотный диапазон сигнала речевого сообщения, параметры которого (амплитуда, частота, фаза) несут в себе информацию, составляет 0,3-3,4 кГц. Для излучения сигнала такой низкой частоты требуются антенны очень больших размеров. К тому же, кроме целого ряда других причин, возникает проблема разделения сигналов от нескольких корреспондентов для исключения возможности одновременного прослушивания их в телефонах приемного устройства.

Поэтому, излучают колебания высокой частоты, но, один из параметров этого колебания (амплитуда, частота, фаза) изменяется в соответствии с изменением амплитуды сигнала речевого сообщения. Такие высокочастотные колебания с изменяемым параметром называются модулированными.

В модулированном колебании сигнал речевого сообщения (первичный сигнал) называется управляющим или модулирующим, а высокой частоты - несущим. Вид модуляции определяется изменяемым параметром колебания несущей частоты.

Например, для непрерывного высокочастотного сигнала:

- при изменении амплитуды - амплитудная модуляция (АМ);

- при изменении частоты - частотная модуляция (ЧМ);

- при изменении фазы - фазовая модуляция (ФМ).

2.1 Радиоканалы с амплитудной модуляцией

В авиационных радиоканалах связи наиболее широко применяется амплитудная модуляция, в основном, из-за сравнительной простоты построения передатчиков и приемников и относительно невысоких требований к стабильности частоты.

Структурная схема радиоканала, состоящая из передающего устройства (передатчик), линии связи и приемного устройства (приемник) представлена на рис. 2.1.

Простейшая схема передатчика с амплитудной модуляцией несущего колебания содержит генератор высокой частоты ГВЧ, усилитель низкой частоты УНЧ, амплитудный модулятор АМ, усилитель мощности УМ и антенну.

Работа передатчика поясняется диаграммами рис. 2.2.

Первичный сигнал с выхода микрофона усиливается в усилителе УНЧ по амплитуде (рис. 2.2,а). Источником колебаний высокой частоты является генератор ГВЧ (рис. 2.2,б). Амплитудная модуляция производится в модуляторе АМ. Полученный на выходе модулятора, модулированный сигнал (рис. 2.2,в) усиливается в усилителе мощности УМ до необходимого уровня, поступает на передающую антенну и излучается в окружающую среду (линию связи).

Спектр АМ сигнала состоит из трех составляющих: несущей частоты fн и двух боковых fн - F и fн + F. Амплитуда боковых составляющих определяется по формуле:

Uбп = m?Uн /2, (2.1)

где: Uн - амплитудное значение колебания несущей частоты;

m - коэффициент глубины амплитудной модуляции.

Коэффициент m пропорционален амплитуде управляющего сигнала. Иначе говоря, чем громче передача в микрофон, тем больше амплитуда управляющего сигнала и, соответственно, больше глубина модуляции модулированного сигнала.

Ширина спектра АМ сигнала зависит от частоты F управляющего сигнала: чем выше тональность, тем дальше от значения несущей fн отстоят боковые составляющие, тем шире спектр сигнала.

В общем случае, управляющий сигнал может иметь более сложную форму (рис. 2.3,а). Ширина спектра такого сигнала от Fмин до Fмакс. Соответственно, в этом случае спектр модулированного сигнала более широкий (рис. 2.3,б).



Верхняя составляющая спектра речевого сигнала 3,4 кГц [4]. Поэтому, на выходе передатчика ширина спектра амплитудно-модулированного сигнала 6,8 кГц (по 3,4 кГц влево-вправо от несущей fн).

Рассмотрим работу приемника. Простейший приемник (прямого усиления) (рис. 2.1) включает в себя входную цепь или входной контур ВЦ, усилитель высокой частоты УВЧ, амплитудный детектор АД и усилитель низкой частоты УНЧ.

Входная цепь ВЦ и усилитель УВЧ составляют высокочастотную часть приемника и содержат резонансные контуры, которые служат для выделения из множества Э.Д.С., наводимых в антенне, сигналов частоты принимаемой станции. Резонансным или колебательным контуром называется электрическая цепь, в простейшем случае, состоящая из катушки индуктивности и конденсатора. На рис. 2.4 приведена возможная схема входной цепи ВЦ приемника. Настройка на частоту радиостанции производится изменением емкости Cвх конденсатора.

Резонансная характеристика колебательного контура имеет колоколообразную форму (рис. 2.4). Сигнал принимаемой радиостанции, частота которой fC, совпадает с резонансной частотой f0 колебательного контура, проходит без ослабления, т.е. K(fC) = K0 = 1. Сигналы других радиостанций ослабляются.

После усиления в усилителе УВЧ, сигнал принимаемой радиостанции поступает на амплитудный детектор АД. Детектор АД осуществляет процесс, обратный модуляции, т.е. выделяет из принятого и усиленного высокочастотного АМ сигнала огибающую - аналог первичного или модулирующего сигнала (рис. 2.3,а). С нагрузки детектора АД снимается сигнал звуковой частоты, который после усиления в УНЧ, прослушивается в оконечном устройстве (телефон, динамик).

Приемник прямого усиления имеет, кроме прочего, два существенных недостатка, из-за которых, применение его в радиосвязи ограничено.

1) Слабая или низкая частотная избирательность. Избирательностью приемника называется его способность принимать сигналы только одной радиостанции и не пропускать сигналы других радиостанций.

При оценке частотной избирательности рассматривают избирательность по соседнему каналу. Соседним каналом или соседней станцией называется радиостанция, частота которой, отличается от частоты принимаемой станции на 10 кГц. Количественно избирательность приемника оценивается отношением его коэффициента усиления на резонансной частоте K0 к коэффициенту усиления на частоте соседнего канала.

Предположим (рис. 2.4), радиостанция, частота которой f2, является соседней по отношению к принимаемой радиостанции fC. При такой форме резонансной характеристики, на выходе контура ВЦ сигнал от соседней станции будет меньшего уровня, чем от принимаемой станции, и, тем не менее, будет прослушиваться в телефонах. Как видим, для того, чтобы соседняя станция не прошла на выход приемника, избирательность должна быть более высокой, т.е. ветви резонансной характеристики должны быть круче.

Избирательность приемника прямого усиления зависит также от полосы пропускания 2Дf резонансных контуров входной цепи ВЦ и усилителя УВЧ:

2Дf = fс/Q, (2.2)

где: fс - рабочая частота станции;

Q - добротность резонансных контуров ВЦ или УВЧ.

Полосу пропускания обычно отсчитывают на уровне 0,707 от максимального значения коэффициента усиления K(f)=Uвых(f)/Uвх(f).

По полосе пропускания приемника можно судить о его возможности пропускать сигналы определенной ширины частотного спектра. Например, верхняя составляющая спектра тонального (речевого) сигнала 3,4 кГц. Следовательно, для неискаженного приема такого сигнала, полоса пропускания приемника должна быть не меньше 6,8 кГц.

Для обеспечения такой полосы пропускания, например при приеме радиостанции, частота которой fC = 1000 кГц, добротность резонансных контуров должна быть не меньше Q = fс /2Дf = 1000/6,8 = 147 единиц. Обычно, значение добротности колебательного контура в пределах 10…30 единиц. Следовательно, в реальном случае, через полосу пропускания приемника прямого усиления может проходить несколько соседних станций.

2) Слабая или низкая чувствительность. Чувствительностью приемника называется его способность принимать слабые сигналы. Чем меньше входное напряжение, необходимое для нормальной работы приемника, тем выше его чувствительность. Как правило, в паспортных данных приемника указывается реальная чувствительность. Реальной чувствительностью называется наименьшее напряжение на входе приемника, при котором соотношение сигнал/шум на выходе приемника равно трем. Например, чувствительность приемника радиостанции "БАКЛАН" 2,5 мкВ. Это означает, что при таком уровне напряжения на входе приемника и, предположим, уровне шума на его выходе в 2 В, сигнал, поступающий на телефоны гарнитуры, будет равен 2 ? 3 = 6 В.

В приемнике прямого усиления высокую чувствительность нельзя получить, так как при увеличении коэффициента усиления усилителя УВЧ, приемник может перейти в режим генерации из-за паразитной обратной связи (например, через источники питания или паразитные емкости).

От указанных недостатков свободен приемник супергетеродинного типа (рис. 2.5).

Часть такого приемника, включающая входную цепь и усилитель УВЧ, подобна структуре приемника прямого усиления и обеспечивает чувствительность и предварительную избирательность на частоте принимаемой станции fC. В структуру приемника введен преобразователь частоты, состоящий из смесителя СМ, гетеродина Г и усилителя промежуточной частоты УПЧ. Гетеродин Г представляет собой генератор высокой частоты. В смесителе производится нелинейное преобразование сигнала по частоте. Резонансный контур усилителя УПЧ выделяет сигнал разности частот гетеродина и принимаемой станции, т.е. fпч = fc - fг. Колебательный контур гетеродина перестраивается одновременно с входным контуром смесителя СМ. Поэтому промежуточная или разностная частота на выходе УПЧ имеет постоянное значение. Затем, преобразованный по частоте сигнал поступает на детектор АД, на нагрузке которого выделяется сигнал звуковой частоты F.

Требуемая избирательность приемника супергетеродинного типа обеспечивается в канале промежуточной частоты. Действительно, в соответствии с формулой (2.2), если преобразовать высокочастотный сигнал станции в менее высокочастотный сигнал, например, в некоторое значение промежуточной частоты, которое значительно меньше рабочей частоты станции, т.е. fc - fг = fпч< fc, то даже при той же добротности резонансных контуров, получим меньшее значение полосы пропускания.

Например, при:

- частоте принимаемой станции fc = 1000 кГц;

- частоте гетеродина fг = 860 кГц;

- добротности резонансных контуров Q = 20,

полоса пропускания УПЧ составит: 2ДfУПЧ = fпч /Q = (1000 - 860)/20 = 7 кГц. Такой полосы вполне достаточно для качественного приема сигнала речевого сообщения, учитывая, что ширина его спектра составляет 6,8 кГц.

В канале промежуточной частоты можно обеспечить и основное усиление сигнала, путем последовательного соединения нескольких усилителей УПЧ, не боясь при этом, возникновения самовозбуждения или генерации.

Вместе с тем, обладая принципиальными достоинствами (высокая избирательность и чувствительность), супергетеродинный приемник не лишен ряда недостатков.

Наиболее значительным недостатком является наличие зеркального канала приема. Зеркальным каналом или зеркальной помехой называется станция, частота которой, расположена симметрично (зеркально) относительно частоты гетеродина (рис. 2.6). Следовательно, зеркальная станция создаст такую же промежуточную частоту, что и станция на которую настроен приемник.



Приемники авиационных радиостанций строят по схеме супергетеродинного приема с двумя или даже, тремя преобразованиями по частоте.

Такая необходимость построения, во многом, обусловлена не только обеспечением высокой чувствительности приемника, но и "борьбой" с зеркальными помехами. Для пояснения воспользуемся рисунками.

На рис. 2.7,а приведена резонансная характеристика ВЦ и УВЧ приемника. Ниже, на оси частот показаны рабочие частоты станций. Предположим, приемник настроен на частоту станции fc = 1000 кГц. Частота гетеродина fг = 900 кГц, соответственно, значение промежуточной частоты fпч = fc - fг = 100 кГц. Следовательно, резонансный контур УПЧ должен быть настроен на 100 кГц.

Резонансная характеристика контура УПЧ, который настроен на промежуточную частоту 100 кГц, изображена на рис. 2.7,б.

Среди станций имеется зеркальная станция fз = 800 кГц которая, при смешивании с частотой гетеродина даст такую же промежуточную частоту (800 - 900) кГц = 100 кГц, и этот преобразованный сигнал под "маской" полезного сигнала беспрепятственно пройдет на выходные каскады приемника и будет прослушиваться наряду с полезным сигналом станции.

Уменьшить уровень приема зеркальной помехи можно увеличением значения промежуточной частоты. Например, возьмем частоту гетеродина не 900 кГц, а, предположим, 700 кГц. Тогда, значение промежуточной частоты fпч = fc - fг = 300 кГц, а зеркальной станцией уже будет являться другая станция fз = fc - 2fпч = 1000 - 2·300 = 400 кГц. Т.е. данная зеркальная станция fз = 400 кГц даст такую же промежуточную частоту, что и полезная: (400 - 700) кГц = 300 кГц.

А теперь, посмотрим на рис. 2.7,а, где приведена ось частот с рабочими частотами станций. Как видим, станция на частоте 800 кГц, которая считалась зеркальной при частоте гетеродина 900 кГц, проходила через резонансные контуры ВЦ и УВЧ с ослаблением порядка 0,3 (судя по масштабу рисунка). А станция на частоте 400 кГц, зеркальная для частоты гетеродина 700 кГц, уже так далеко отстоит от частоты полезной станции, что вряд ли пройдет через резонансные контуры ВЦ и УВЧ.

С другой стороны, высокая промежуточная частота ведет к ухудшению избирательности по соседним каналам. В данном примере, при добротности резонансных контуров УПЧ Q = 20, полоса пропускания УПЧ составит:

2ДfУПЧ = fпч/Q = 1000-700/20 = 15 кГц.

Через такую полосу может пройти вместе с полезной станцией, минимум еще две соседние станции (ориентировочно с ослаблением 0,5).

Поэтому, для ослабления приема зеркальных помех применяют метод двойного (или даже тройного) преобразования частоты, при котором, после усилителя УПЧ ставят еще один или два преобразователя частоты. Тогда, (при двойном преобразовании) выбором высокого значения первой промежуточной частоты устраняют зеркальную помеху, а последующим выбором низкого значения второй промежуточной частоты, обеспечивают избирательность по соседним помехам.

Кроме того, подавление сигналов по зеркальному каналу (зеркальным помехам) осуществляется также с помощью специальных полосовых фильтров, включаемых во входную цепь приемника. Они содержат резонансные контуры, которые настраиваются на частоту принимаемого сигнала.

2.2 Радиоканалы с однополосной модуляцией

Однополосная модуляция (ОМ) является разновидностью амплитудной модуляции и широко применяется в радиосвязи для уменьшения ширины спектра сигнала (уплотнения каналов) и эффективного использования мощности передающей радиоаппаратуры.

Для пояснения метода однополосной модуляции, рассмотрим более подробно "поведение" боковых составляющих спектра АМ сигнала (рис. 2.2,в).