Файл: Радиосвязь.pdf

В качестве регистратора сигналов в то время использовалось специальное устройство – когерер. Когерер представлял собой стеклянную трубку, заполненную металлическими опилками. При прохождении электрического сигнала опилки спекались и становились проводником тока.

Рис. 3. Когерер

При включении когерера в цепь, состоящую из источника питания (батареи) и сигнального устройства (например, звонка или самописца) можно было фиксировать принятые точки и тире. При всей простоте способа, когерер не позволял принимать голос, для этого требовались более совершенные приборы.

Радио развивалось. На смену когереру пришли более чувствительные устройства, такие как кристаллические детекторы, жидкостные бареттеры, магнитные детекторы и т.п. Большим достижением стало появление электронных ламп и полупроводниковых приборов.

Для работы в эфире множества радиопередатчиков без помех друг другу, каждому из них выделяется строго определенная частота. В свою очередь радиоприемник должен быть также настроен на эту частоту. Во всех радиоприемных устройствах для этого используется колебательный контур – специальное устройство, представляющее собой замкнутую цепь, состоящую из катушки индуктивности и конденсатора. Катушка (ее иногда называют просто индуктивностью) – это свитый в спираль провод, а конденсатор – близко расположенные металлические пластины, которые позволяют накапливать заряд (электрическую энергию).

Рис. 4. Колебательный контур.

Если присоединить батарею к пластинкам обкладкам конденсатора, на нем появится электрический заряд. При этом пластина, соединенная с отрицательным полюсом батареи, зарядится отрицательно, а соединенная с положительным – положительно. На пластинах появится электрическое напряжение, которое будет возрастать до тех пор, пока конденсатор не зарядится до предела, соответствующего его электрической емкости. Чем больше емкость конденсатора, тем больший заряд сосредоточится в нем при данном напряжении.

Запасенная энергия останется в конденсаторе и после отключения батареи. Если заряженный конденсатор подсоединить к катушке индуктивности, то накопившийся заряд вызовет протекание электрического тока через катушку. А мы уже знаем, что вокруг любого проводника с электрическим током возникает магнитное поле. Электрическая энергия конденсатора превратится в катушке в магнитную энергию, которая создаст магнитное поле.

Энергия, запасенная магнитным полем, разумеется, не может исчезнуть бесследно, она должна перейти в другой вид энергии. Как это ни парадоксально, но магнитная энергия вызовет возникновение в породившей его катушке электрическое поле. В катушке возникнет ток, напряжение которого начнет заряжать конденсатор.

Следует отметить, что каждый цикл перехода энергии между электрическим и магнитным полем вызывает изменение направления тока в цепи и, следовательно, заряд на пластинах конденсатора меняется с положительного на отрицательный и наоборот. Полный цикл процессов, происходящих в контуре называется колебанием, из-за чего контур и получил название колебательного. Напрашивается идея «создания вечного двигателя» на основе колебательного контура. К сожалению, со временем колебания тока в контуре прекратятся подобно тому, как постепенно затухают колебания маятника. Ведь проводники, из которых сделан контур, обладают электрическим сопротивлением, из-за чего часть энергии затрачивается на его преодоление и превращается в тепло. Это основная причина энергетических потерь в контуре. Колебания в электрическом контуре совершаются с очень большой частотой – тысячи и миллионы раз в секунду, т.е. тысячи и миллионы герц. Это частота определяется емкостью конденсатора и индуктивностью катушки. Чем больше число витков в катушке, тем меньше ее индуктивность (тем быстрее изменяется сила тока в контуре). Чем меньше емкость конденсатора, тем меньше времени нужно на его заряд и разряд. Меняя величину емкости или индуктивности, легко настроить контур на любую частоту.

При воздействии на контур внешней энергией, например, переменным электрическим током, в нем возникают так называемые вынужденные колебания.

Если частота сигналов совпадет с частотой колебаний контура, возникнет явление резонанса – амплитуда колебаний достигает наибольшей величины. При этом не надо увеличивать амплитуду подводимого колебания, нужно только, чтобы частота этих колебаний равнялась частоте настройки контура. Именно это явление и позволяет настраивать приемник на определенную частоту и выделять нужную станцию среди множества других.

Так можно «раскачать» электрический контур, если подавать в него энергию в такт его собственным колебаниям. Из электрических колебаний различных частот контур выделит только ту, которая вызовет явление резонанса. Из слабых «подталкивании» контур постепенно накопит значительную энергию. Конечно, контур не сможет собирать «толчки» и увеличивать амплитуду колебаний беспредельно. Чем больше амплитуда напряжения на контуре, тем через него течет больший ток и, естественно, тем больше потери (больше энергии рассеивается в виде тепла).

Чтобы настроить контур в резонанс, необходимо менять его частоту. Как уже было сказано, это достигается изменением параметров индуктивности или емкости. Технологически менять емкость проще, чем индуктивность, поэтому в основном применяют именно изменение емкости. Классическим элемент, позволяющим изменять емкость, является конденсатор переменной емкости (КПЕ). Обычно с его помощью и осуществляется настройка на нужную частоту (т.е. настройка контура на частоту резонанса).

Раньше механический КПЕ был единственным устройством настройки, но в процессе развития радио появились более удобные и надежные элементы. Например, варикап – полупроводниковый элемент, у которого емкость меняется изменением управляющего напряжения. Или так называемый электронный эквивалент конденсатора, который представляет собой не традиционное устройство с двумя пластинами, а интегральную схему, функционально выполняющую те же задачи.

3.2.4. Радиоприём

В общем случае процесс приема сигнала выглядит следующим образом:

1) Электромагнитные волны наводят в антенне токи высокой частоты;

2) Эти токи поступают на входной контур;

3) Контур выделяет из множества частот только узкую полосу, на которую он настроен;

4) Из высокочастотного сигнала необходимо выделить скрытый в нем сигнал звуковой частоты (звуковую информацию);

5) Электрический сигнал звуковой частоты надо преобразовать в акустический сигнал, который можно прослушать.

Детекторный приёмник

Процесс выделения звука из высокочастотного сигнала называется демодуляцией или иначе – детектированием. А осуществляется демодуляция детектором.

За долгую историю радио в качестве детектора использовались различные устройства. Вначале это были кристаллические, жидкостные или магнитные детекторы, затем появились вакуумные диоды (электронные лампы) и, наконец, в качестве детектора стали применяться полупроводниковые элементы.

Задача амплитудного детектора – преобразование переменного тока в постоянный. Проще всего процесс обработки высокочастотного сигнала можно рассмотреть на примере детекторного радиоприемника – прадедушки современных систем связи.

Рис. 5. Схема детекторного приемника и форма сигналов в точках:

1 – ВЧ сигнал, выделенный колебательным контуром;

2 – сигнал после выпрямления детектором;

3 – НЧ сигнал, поступающий на наушники.

Из принятых антенной ВЧ сигналов выделяется тот, в резонанс с которым настроен колебательный контур. Форма сигнала в точке (1) представляет собой высокочастотный сигнал, модулированный по амплитуде. Задача детектора состоит в том, чтобы «вырезать» положительную полуволну (2), которая также содержит полезную информацию в виде изменения амплитуды – так называемую огибающую (на рисунке показана пунктирной линией). Но высокочастотный сигнал нельзя прослушать на наушники – нужна звуковая частота. Для удаления ВЧ составляющей в схему после диода включен конденсатор. Емкость конденсатора выбрана таким образом, чтобы он пропускал только высокочастотную составляющую. Теперь мы имеем сигнал (3), эквивалентный переданному радиопередатчиком.

Конечно, детекторные приемники не используются для серьезных задач и представляют скорей академический интерес, но на его примере можно проследить процессы, протекающие в более сложных радиоприемных устройствах.

К недостаткам детекторных приемников следует отнести: низкую чувствительность и избирательность (возможность принимать конкретную станцию без помех со стороны других станций с близкой частотой), слабый уровень воспроизводимого сигнала.

Как видно из схемы, в детекторном радиоприемнике нет даже источника питания – он работает на энергии радиоволны. Сигнал детекторного приемника настолько слаб, что позволяет прослушивать сигналы только мощных близлежащих радиостанций и только на наушники. Для повышения уровня принимаемого сигнала используются различные виды усиления, а это уже довольно сложные схемы, содержащие десятки и сотни элементов.

Еще немаловажным является то, что детекторный приемник позволяет принимать только амплитудно-модулированные сигналы, которые в настоящее время используются в основном только в радиовещании. Системы подвижной связи обычно применяют либо частотную модуляцию, либо подвид амплитудной – так называемую однополосную модуляцию.

Приёмник прямого усиления

Рис. 6. Блок-схема приёмника прямого усиления

Радиоприёмник прямого усиления состоит из колебательного контура, нескольких каскадов усиления высокой частоты, диодного детектора, а также нескольких каскадов усиления низкой частоты. Колебательный контур служит для выделения сигнала требуемой радиостанции. Как правило, частоту настройки колебательного контура изменяют конденсатором переменной ёмкости. К колебательному контуру подключают антенну, иногда и заземление. Сигнал, выделенный колебательным контуром, поступает на усилитель высокой частоты. Усилитель высокой частоты (УВЧ), как правило, представляет собой несколько каскадов избирательного транзисторного усилителя. С УВЧ сигнал подаётся на диодный детектор, с детектора снимается сигнал звуковой частоты, который усиливается ещё несколькими каскадами усилителя низкой частоты (УНЧ), откуда поступает на динамик или наушники. В литературе приёмники прямого усиления классифицируют по числу каскадов усилителей низкой и высокой частоты. Приёмник с n-каскадами усиления высокой и m-каскадами усиления низкой частоты обозначают n-V-m, где V обозначает детектор. Например, приёмник с одним каскадом УВЧ и одним каскадом УНЧ обозначается 1-V-1. Детекторный приёмник, который можно рассматривать как частный случай приёмника прямого усиления, обозначается 0-V-0. Главное преимущество приёмника прямого усиления — простота конструкции, в результате чего его может собрать даже начинающий радиолюбитель. Кроме того, радиоприёмники прямого усиления (в отличие от супергетеродинных приёмников) отличаются отсутствием паразитных излучений в эфир, что может быть важно, если необходима полная скрытость приёмника. Основной недостаток приёмника прямого усиления — малая селективность (избирательность), то есть малое ослабление сигналов соседних радиостанций по сравнению с сигналом станции, на которую настроен приёмник (к регенеративному приемнику, являющемуся разновидностью приемника прямого усиления, это не относится). Поэтому этот тип приёмников удобно использовать только для мощных радиостанций, работающих в длинноволновом или средневолновом диапазоне (из-за особенностей распространения волн в ионосфере длинноволновые и средневолновые сигналы не могут распространятся слишком далеко, поэтому приёмник «видит» только ограниченное число местных станций). Из-за этого недостатка приёмники прямого усиления не производятся промышленностью и в основном используются ныне только в радиолюбительской практике.

Супергетеродинный приёмник

Революция произошла в 1913 году, когда гениальный американский изобретатель Эдвин Армстронг предложил схему супергетеродинного приемника. Схема оказалась настолько удачной, что до настоящего времени девять из десяти приемников работают на этом принципе. Смысл загадочного слова супергетеродин заключается в том, что выделенный входным контуром высокочастотный сигнал сначала преобразуется в другую частоту, постоянную для данного типа приемника, а затем на этой, так называемой промежуточной частоте, производится усиление основного сигнала и ослабление мешающих.

Рис. 7. Классическая блок-схема супергетеродинного приемника.

Благодаря постоянству промежуточной частоты в супергетеродине удается сравнительно простыми средствами получить высокую чувствительность и избирательность приемника. Как видно из схемы, настройка на радиостанцию осуществляется таким же колебательным контуром, как и в детекторном приемнике. Но дальше начинается самое интересное. Гетеродин – это маломощный перестраиваемый генератор. Оказывается, генератор применяется во всех современных приемниках, но его функции отличаются от функций, выполняемых в радиопередатчиках. В приемнике генератор вырабатывает колебания, которые в дальнейшем складываются с радиочастотой. Причем, как видно из схемы, частота гетеродина синхронно изменяется вместе с настройкой входного контура (с помощью многосекционного КПЕ). Это нужно для того, чтобы частота сигнала, полученная после сложения, всегда оставалась постоянной. Это будет промежуточная частота (ПЧ). Она не зависит от выбранного диапазона настройки и от частоты принимаемой радиостанции. Постоянство ПЧ, получаемой на выходе смесителя, позволяет гораздо эффективней отфильтровать нежелательные сигналы (радиочастоты соседних радиопередатчиков, эфирные помехи и т.п.). Это связано с тем, что конструктивно легче создать качественный фильтр на постоянную частоту, нежели на меняющуюся. Промежуточная частота выбирается таким образом, чтобы ее значение не попадало в область частот передающих радиостанций (обычно 465 кГц в отечественной аппаратуре и 455 кГц – в импортной). Кроме того, относительно низкая ПЧ не так требовательна к качеству применяемых элементов (транзисторов, микросхем, фильтров, конденсаторов). Они могут быть низкочастотными и, следовательно, более дешевыми. Кроме выделения сигнала входным колебательным контуром, сигнал проходит еще через один настраиваемый контур (после усилителя ВЧ, см. схему). Это позволяет еще в большей степени избавиться от нежелательных входных сигналов. В ламповую эпоху развития радио супергетеродинные приемники оснащались несколькими резонансными каскадами, каждый из которых подстраивался своей секцией КПЕ, управляемой общей ручкой. Появление качественных полупроводниковых приборов позволило упростить механическую часть схемы, а в дальнейшем и вовсе отказаться от механических КПЕ. В современных радиоприемных устройствах практически не встречаются механические конденсаторы переменной емкости.