Искажения радиосигнала, помехи, замирания и шумы

Любой радиосигнал, несущий информацию, занимает в частот­ ном спектре полосу частот определенной ширины. Поскольку пере­ дача различных частотных составляющих практически через любую среду происходит по-разному, то принятый сигнал будет являться искаженным вариантом переданного. Искажения, претерпеваемые радиосигналом, в значительной степени определяются трассой его распространения: радиосигнал, прошедший в ионосфере, как прави­ ло, будет искажен сильнее радиосигнала, прошедшего по трассе прямой видимости. В общем случае для любой среды распростра­ нения искажения радиосигнала будут тем значительнее, чем шире занимаемая им полоса частот.

Прием радиосигналов на реальных радиолиниях всегда про­ исходит в условиях воздействия радиопомех — электромагнитных помех в диапазоне радиочастот. Радиопомехи препятствуют пра­ вильному приему передаваемого сигнала. Виды радиопомех весьма разнообразны: помехи от посторонних радиостанций, индустриаль­ ные, естественные и пассивные помехи. Радиопомехи от посторонних радиостанций обусловлены нарушением Регламента распреде­ ления рабочих частот. Поскольку радиоволны могут распростра­ няться на большие расстояния, далеко за пределы одной страны, регулирование распределения частот проводится не только в каждой стране в отдельности, но и в мировом масштабе. Этим зани­ мается Международный Союз Электросвязи, в котором сотрудни­ чает большинство стран мира. Посторонняя радиостанция может создавать радиопомехи и из-за конструкции ее радиопередатчика, который может стать источником электромагнитных колебаний с частотами, далеко выходящими за пределы выделенной полосы частот.

Индустриальные радиопомехи возникают из-за резких изменений тока в электрических цепях всевозможных электроустройств. Сюда относятся помехи от электротранспорта, электрических двигателей, медицинских электроприборов, систем зажигания двигателей и т. д.

Естественные радиопомехи создаются процессами, происходящи­ ми в природе. Из естественных радиопомех следует отметить ат­ мосферные радиопомехи, обусловленные электрической деятель­ ностью атмосферы. В среднем в мире происходит около 100 грозо­ вых разрядов в секунду. Каждый разряд создает радиоизлучение на всех радиочастотах. Накладываясь друг на друга, эти разряды воспринимаются на слух при радиоприеме как непрерывные шо­ рохи. К естественным относятся и космические радиопомехи, созда­ ваемые внеземными источниками, в том числе Солнцем и планета­ ми. Космическое излучение состоит из общего шумового фона га­ лактики и из направленного более мощного излучения дискретных источников, находящихся в определенных участках небесной сферы.

К пассивным радиопомехам относятся замирания радиоволн, связанные с их многолучевым распространением. Дело заключается в том, что при радиопередаче радиосигнал, посланный из пункта передачи, может достигать пункта приема по нескольким различ­ ным траекториям (например, на декаметровых волнах можно в одном и том же месте принимать радиосигналы, однократно и многократно отраженные от ионизированных слоев). Длины путей, проходимых радиосигналом при их распространении по разным траекториям, неодинаковы, поэтому радиосигналы, одновременно достигающие приемника, имеют различные фазы. При сложении радиосигналов с несовпадающими фазами возникает интерферен­ ция и амплитуда результирующего радиосигнала может значи­ тельно уменьшиться. Это и есть замирание.

Траекторий распространения может быть немного, они могут быть сравнительно стабильными в пространстве, как это имеет место в случае двухлучевого распространения радиоволн в метро­ вом диапазоне. В некоторых случаях траекторий может быть очень много и они могут меняться случайным образом, как это наблю­ дается при рассеянии радиоволн на неоднородностях тропосферы. Условия распространения не остаются постоянными, соотношения между амплитудами и фазами сигналов, пришедших по различным возможным траекториям, все время изменяются случайным обра­ зом, соответственно изменяется и интенсивность результирующего сигнала.

Помехи проникают в систему радиосвязи не только извне; они также могут зарождаться внутри самой системы и различных ее звеньев. Такого рода помехи неизбежно сопутствуют основным явлениям, происходящим в аппаратуре. К таким помехам относят­ ся, например, собственные шумы радиоприемника.

Электромагнитная совместимость

Природа электромагнитного поля такова, что в одной и той же области пространства одновременно может существовать мно­ жество электромагнитных полей, создаваемых различными радио­ станциями, естественными и индустриальными источниками радиопомех.

Возрастающая потребность в средствах радиосвязи, радиовеща­ ния и многочисленных радиоэлектронных системах удовлетворяется двумя путями: освоением новых участков радиочастотных диапа­ зонов и рациональным совместным одновременным использованием одних и тех же частотных полос несколькими службами. Освоение новых участков радиочастотных диапазонов сопряжено с необхо­ димостью разрабатывать заново аппаратуру, приспосабливать ее под особенности распространения радиоволн этих диапазонов. Другой путь не имеет указанных недостатков, но приводит к си­ туации, когда одни радиотехнические комплексы и системы не­

Поясним, для чего и как формируется радиочастотный сигнал. Известно, что передаче любых сообщений по системам электро­ связи непременно предшествует преобразование сообщений в элек­ трический сигнал. В спектре электрических сигналов, используемых в любом виде электросвязи,k значительную долю занимают низко­ частотные составляющие, которые не могут эффективно излучаться передающей антенной. По этой причине сигналы электросвязи иногда называют низкочастотными сигналами.

Эффективность излучения растет с увеличением частоты, поэто­ му и прибегают к переносу спектра исходного сигнала в область более высоких частот, т. е. к формированию радиочастотного сиг­ нала. Оно осуществляется с помощью м о д у л я ц и и — изменения определенного параметра высокочастотного колебания в полном соответствии с изменением передаваемого низкочастотного сигнала электросвязи. Изменяемым параметром может быть амплитуда, частота, фаза. Электромагнитное высокочастотное колебание, из которого образуется радиочастотный сигнал, называется н е с у ­ щей. Исходный низкочастотный сигнал, вызывающий изменение определенного параметра несущей при модуляции, называется м о д у л и р у ю щ и м с и г н а л о м , а радиочастотный сигнал, полу­ чающийся в результате модуляции несущей,— м о д у л и р о в а н ­ ным р а д и о с и г н а л о м .

С учетом изложенного можно сделать вывод, что в состав радиопередатчика в качестве функциональных узлов должны вхо­ дить генератор несущей и устройство для изменения параметра несущей — модулятор. В свою очередь, генератор, как правило, строится по многокаскадной схеме. Он содержит следующие основ­ ные элементы (рис. 11.6): автогенератор АГ — первоисточник несущей; буферный (разделительный) каскад БК, включаемый для ослабления влияния последующих каскадов на качественную ра­ боту АГ; ряд промежуточных каскадов ПК, основная задача кото­ рых состоит в усилении радиочастотного сигнала; оконечный (выходной) каскад ОК, обеспечивающий заданную мощность в антенне. Часто АГ, БК и ПК конструктивно объединяют в отдель­ ном устройстве — возбудителе. Многокаскадный генератор назы­ вают радиочастотным трактом, но иногда в это понятие не вклю­ чают возбудитель.

Модулятор М также, как правило, строится по многокаскад­ ной схеме. В зависимости от назначения радиопередающего устрой­ ства модуляция может осуществляться либо в одном из каскадов возбудителя, либо в оконечных каскадах. При передаче телеграф­ ных сигналов используется не модулятор, а манипулятор, под­ ключаемый к одному из каскадов возбудителя.

Обязательным для работы любых каскадов и элементов радио­ передающего устройства является источник питания ИП, получаю­ щий энергию от сети переменного тока.

В состав реальных радиопередающих устройств (особенно мощ­

iH f \ ип

^ Сеть

Рис. 11.6. Развернутая структурная схема радиопередающего устройства

Рис. 11.7. Формирование АМ-сигнала

ных) входит много другого оборудования: средства охлаждения, автоматического и дистанционного управления, сигнализации, за­ щиты и блокировки и т. д.

Управление антеннами, изменение длин волн, мощности и дру­ гих характеристик радиопередатчиков в зависимости от вида пере­ даваемых сигналов, направления радиопередачи и т. д. произво­ дятся устройствами телеуправления. Названные операции осущест­ вляются диспетчером из центрального пункта управления (напри­ мер, радиобюро, см. рис. 11.4) либо автоматически по заранее заданной программе. Телеметрические устройства и средства сигнализации позволяют контролировать с пункта управления исправность разнообразного оборудования.

Понятия о модуляции и спектрах

Рассмотрим несущее гармоническое колебание (рис. 11.7, а)

Постоянные величины Uо, а)о и <ро, как известно из курса физики, называются амплитудой, частотой и начальной фазой несущего ко­ лебания. Изменяемым параметром несущей, как уже говорилось, может быть любая из этих величин. Обозначим модулирующий сигнал через x(t) (рис. 11.7,6).'

Наиболее просто описывается математически (и реализуется практически) изменение амплитуды, или амплитудная модуляция.

Из приведенных на рис. 11.7 графиков видно, что в момент времени / = 0 модулирующий сигнал x(t) начинает изменяться и в точном соответствии с ним начинает изменяться амплитуда сигнала um (t).

В соответствии с модулирующим сигналом x(t) можно изменять также начальную фазу или частоту несущей. В первом случае получим фазомодулированный сигнал ФМ, во втором — частотномодулированный ЧМ. Подробно теория модуляции изучается в дис­ циплине «Теория нелинейных электрических цепей».

Формула (11.3) позволяет выяснить спектральный состав АМколебаний. Для этого предположим, что x(t)= U\ cos Q/, т. e. имеет вид гармонического колебания. Не теряя общности, можно принять,

где а = U \ / и () — коэффициент глубины модуляции. После простых алгебраических преобразований с учетом известного выражения

Последнее выражение показывает, что даже при модуляции одним гармоническим колебанием с частотой £2 модулированный сигнал состоит из трех составляющих: несущей частоты а>0 с амплитудой

Uо и частот coo + й и coo —Q с амплитудами у aUo. Если каждую из

щей гармоническим колебанием. Составляющие, расположенные

(О

Рис. 11.8. Спектр AM-колебания при модуляции гармоническим сигналом

Рис. 11.9. Спектр АМ-колебаннй при модуляции сложным сигналом