Структурная схема канала передачи информации

Для многих каналов передачи информации характерна структура радио-телеканала, представленная на (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Структурная схема канала передачи информации

Принцип работы системы и назначение устройств, входящих в канал передачи информации рассмотрим начиная с автогенератора.

Автогенератор (АГ) вырабатывает высокостабилизированные по частоте и амплитуде гармонические колебания. От стабильности АГ зависит, на сколько спектр сигнала, несущего сообщение, может частично выходить из полосы пропускания П_0,7. Стабильность АГ тем выше, чем меньше f_АГ – частота АГ. Обычно f_АГ составляет десятки и сотни кГц. Сигнал такой частоты не используется в направленных антенных устройствах излучения А₁ и приема А₂. Для увеличения частоты сигнала до значения nf_АГ применяют нелинейный элемент (см. п.2.7), дающий кратность умножения частоты m = 3…7. При каскадном соединении нелинейных элементов обеспечивается требуемая кратность умножения частоты n:

. (3.1)

Устройство, содержащее нелинейные элементы с целью умножения частоты: f₀ = nf_АГ, – называется умножителем частоты, структурная схема которого приведена на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Структурная схема умножителя частоты

Если подать на нелинейный элемент достаточно большой по амплитуде гармонический сигнал (см. рис. 2.28), то ток через нелинейный элемент (диод, транзистор и т.п.) будет периодической функцией времени, сильно отличающейся от гармонического закона изменения. Спектр этого тока состоит из гармоник, кратных частоте входного сигнала (например f_АГ): mf_АГ, где m = 1, 2,... . Чем больше значение m, тем меньше амплитуда гармоники. Для выделения из спектра гармоники с частотой mf_АГ используют колебательный контур с высокой добротностью, у которого резонансная частота f_р = mf_АГ. На рис. 3.5 показана АЧХ колебательного контура: ее нормированное значение на боковых частотах не должно превышать 0,1, что исключает проникновение спектральных составляющих с частотами (m – 1)f_АГ и (m+1)f_АГ в следующий каскад умножения; в противном случае в спектре несущего сигнала, поступающего на модулятор – Мод (см. рис. 3.3), появляется побочные составляющие относительно частоты f₀; эти побочные составляющие будут искажать спектр сигнала сообщения u_c(t), который от преобразователя – Пр неэлектрической физической величины в электрическую через усилитель – У поступает на второй вход модулятора.

Рис. 3.5. Селектирование гармоники с частотой mf_АГ колебательным контуром

С выхода модулятора сигнал через фильтр – Ф, выделяющий полосу спектра модулированного сигнала, поступает на усилитель мощности – УМ, который усиливает сигнал до заданного уровня мощности Р, Вт. Мощность сигнала, как и другие радиотехнические характеристики, входит в выражение дальности действия радиолинии (2.49).

С выхода УМ сигнал поступает на передающую антенну (или по радиочастотному кабелю, оптоволоконной линии – на вход приемника). Коэффициент усиления передающей (приемной) антенны зависит от направления излучения (приема) радиоволн:

(3.2)

где – максимальное значение коэффициента усиления в направлении максимума главного лепестка (рис. 2.23);

(3.3)

нормированная ДН по мощности ( );

– ДН по полю, в общем случае комплексная величина;

– комплексно сопряженная ДН по полю.

Если передающая антенна – А₁ и приемная антенна А₂ максимумами главных лепестков направлены друг на друга, то

;

Тогда, без учета затуханий ЭМВ в тропосфере, выражение (2.49) примет вид

. (3.4)

При использовании на передачу и прием одинаковых антенн . Тогда (3.4) примет вид

. (3.5)

Из выражения (3.5) следует, что обеспечивать заданную дальность действия радиолинии связи целесообразно с помощью направленных свойств антенн, а не повышением мощности сигнала.

С выхода приемной антенны А₂ сигнал поступает на вход усилителя высокой частоты – УВЧ, амплитудно-частотная характеристика которого совпадает со спектром принимаемого сигнала. Таким образом, УВЧ совместно с входной избирательной цепью (она на рис. 3.3 не показана) производит селектирование (выделение) сигнала из множества других сигналов в эфире. С выхода УВЧ сигнал поступает на смеситель – СМ. На другой вход смесителя поступает гармонический сигнал с гетеродина. Гетеродин представляет собой маломощный автогенератор, вырабатывающий гармонические колебания частотой f_г. Обычно f_г > f₀ на величину промежуточной частоты f_пр = f_г – f₀. Смеситель является нелинейным элементом и при воздействии на него двух сигналов:

; (3.6)

,

ток нелинейного элемента содержит спектральные составляющие с комбинационными частотами подобно выражению (2.60). С помощью фильтра выделяют спектральные составляющие с частотами . Следовательно, амплитудно-частотный спектр модулированного сигнала (3.6) на выходе фильтра будет иметь вид:

. (3.7)

Таким образом, смеситель осуществляет перенос спектра сигнала из области высоких частот в область промежуточных частот, как показано на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Перенос полосы спектра сигнала сообщения из области высоких частот в область промежуточных частот с помощью смесителя и выделения спектра сигнала полосовым фильтром

С понижением частоты сигнала, относительно которого располагается спектральные составляющие, влияние переходных процессов на форму сигнала сообщения уменьшается. Однако, и в этом случае выбор значения f_пр должен исходить из условия (2.46), где вместо f₀ следует подставить f_пр.

При переходе радиоканала на другую несущую частоту входная избирательная цепь УВЧ и гетеродин синхронно перестраиваются. При этом разность частот остается неизменной:

.

Это позволяет не перестраивать усилитель промежуточной частоты – УПЧ и тем самым добиться согласования его АЧХ амплитудно-частотному и фазо-частотному спектру сигнала на промежуточной частоте.

Перенос спектра сигнала сообщения на промежуточную частоту позволил увеличить коэффициент усиления и тем самым увеличить чувствительность приемника, то есть уменьшить Р_{пр min} (см. (2.49), (3.4) и (3.5)). Увеличение чувствительности приемника увеличивает дальность действия радиоканала в равной мере, как и увеличение мощности сигнала Р_ср на входе передающей антенны А₁ (3.5).

Покажем, что с переносом спектра в область сравнительно низких частот (f_пр << f₀) предельный коэффициент усиления усилителя увеличивается. На рис. 3.7 изображен усилитель, охваченный обратной связью через «паразитную» емкость монтажа.

Рис. 3.7. Усилитель с обратной связью через «паразитную» емкость

С увеличением U_вых часть мощности сигнала передается через паразитную емкость на вход усилителя. Сопротивление этой связи . Так как спектр сигнала на выходе имеет множество амплитудно-фазовых гармоник, то с увеличением амплитуды сигнала на выходе усилитель обязательно перейдет в режим автогенерации на той частоте f_АГ, для которой выполняется амплитудные и фазовые условия возбуждения (см. Автогенераторы). При понижении частоты сопротивление «паразитной» емкости увеличивается и возбуждение усилителя возможно при большем по амплитуде сигнале на выходе. Следовательно, предельный коэффициент усиления, при котором усилитель еще не возбуждается, увеличивается.

Пусть на выходе усилителя промежуточной частоты сигнал должен иметь мощность Р_вых, при которой в номинальном режиме работает детектор – Д, выделяющий сигнал сообщения u_c(t) (рис. 3.3). Если коэффициент усиления по мощности К_р усилителя увеличился, то мощность сигнала на его выходе уменьшается, то есть увеличивается чувствительность приемника Р_{пр min}. При увеличении мощности сигнала на входе усилителя промежуточной частоты (например, при уменьшении расстояния между антеннами А₁ и А₂) сигнал на выходе по мощности может превысить заданный уровень, что приведет к нарушению нормальной работы детектора и, как следствие, к искажению спектра сигнала сообщения. Для исключения подобного случая необходимо изменять коэффициент усиления в сторону уменьшения, то есть коэффициент усиления должен быть функцией входного сигнала:

K_p = F(P_вх). (3.8)

Функцию (3.8) реализует автоматическая регулировка усиления АРУ.

С выхода детектора сигнал поступает на видеоусилитель – ВУ или усилитель низких частот – УНЧ (в частности усилитель звуковой частоты – УЗЧ). Различие этих усилителей в АЧХ – амплитудно-частотных характеристиках, которые обеспечиваются схемной реализацией. Так, например, в телевизионном канале полоса частот ВУ должна быть не менее 6,5 МГц (f_Н = 0, f_В>6,5 МГц). Усилители звуковой частоты телевизионного канала звукового сопровождения имеют полосу частот не более 18 кГц (f_Н = 10Гц, f_В = 18 кГц). Оконечные усилители (ВУ, УНЧ, УЗЧ) усиливают сигнал по мощности до уровня нормальной работы оконечного устройства – ОУ, на котором воспроизводится информация в том виде, в каком она поступает на устройство преобразования – Пр (см. рис. 3.3).