(067) 720-99-41(063) 853-48-98
Пожалуйста, звоните только с 8:00 до 17:00. Спасибо.

РАДИО (прием / передача) ОСНОВЫ



РАЗДЕЛ "свежий" ДОБАВЛЕН 03.2017 логически взаимосвязан с остальными теоретическими разделами. ВОЗМОЖНЫ ДОПОЛНЕНИЯ / ИЗМЕНЕНИЯ.
2_ОЦИФРОВКА ( минимум основ )
3_СПУТНИКОВОЕ ТВ -теория

Для  понимания  происходящих процессов, необходимо знать азы, основы радиосвязи. На самом деле, в теоретической части передачи и приема радиосигнала нет ничего заумного и непонятного. Другое дело, что выложенный материал на большинстве ресурсов, начинается с непонятных обывателю терминов. Попробуем нарушить традиции (ТЕРМИНЫ ПОЗЖЕ ) и начать на понятном языке …
И так, для передачи радиосигнала необходимы электромагнитные колебания. Но мы пойдем дальше, начнем с еще более простого, с звуковых колебаний.
Обычная дудка (свисток…) выдает  в окружающее пространство звуковые колебания определенной тональности (т.е. количество  звуковых колебаний за определенный период времени).

1

Колебания измеряются ГЕРЦАМИ а время СЕКУНДАМИ. Человеческое ухо способно услышать до 20 тысяч колебаний в секунду (правда это если вы музыкант) а среднестатистическое до 15 тысяч. 1000 колебаний в секунду - 1 килогерц – кГц. Т.Е. мы слышим ДО 15кГц.
Есть еще одна величина характеризующая колебания, ДЕЦИБЕЛЫ (для звуковых колебаний это – громкость)
Для ПЕРЕДАЧИ (хранения) полезного сигнала, в колебания необходимо внести изменения (модулировать ).

2

И снова затронем азы. Раритетным представителем выбран граммофон.  Хоть и 21й век на дворе, но принцип действия данного достижения научной мысли не всем известен!!!?
Как же велась запись? На вращаемый диск с очень маленькой канавкой, покрытый тонким слоем воска, устанавливалась иголка с мембраной, при воздействии звуком на мембрану, колебания передавались иголке движущейся по канавке и таким образом вносились необходимые/полезные  искажения (т.е.модуляция) в нанесенный (мягкий) слой воска.
Получалось клише. Полученная форма заливалась пластиком (клеем)…. …… ……, на основе которого штамповались копии (грампластинки).
Считывание информации (звука) велось в обратной последовательности. Иголка двигаясь по “царапанной” канавке начинала колебаться и передавала колебания на мембрану, чем вызывала ЧАСТОТНО – АМПЛИТУДНЫЕ  колебания т.е. звук.

Но это в осязаемом для человека спектре.  Как же происходит передача и прием полезного сигнала ?
Осуществляется это с помощью радиоволн (т.е. электромагнитных колебаний).  Простейшим наглядным примером источника подобных колебаний, может служить динамо-машина для велосипеда. Правда что бы получить  электромагнитные  колебания частотой 40кГц и более,  необходимые для распространения (передачи) радиосигнала, передачи полезного сигнала придется  ее вращать ОЧЕНЬ!!! Быстро.
Имея электромагнитный источник колебаний и устройство воздействующее на этот источник, можно внести разного рода изменения в электромагнитное колебание. Максимально простой иллюстрацией происходящих процессов при модулировании несущего сигнала  является рисунок ниже

modulyaciya

В итоге мы можем получить несущую частоту,  промодулированную двумя основными способами:
АМ- амплитудная модуляция (устаревший принцип / вид) и ЧМ – частотную.
Из рисунка ниже видно:
а) Несущая частота
б) Амплитудная модуляция
в) Частотная модуляция

виды модуляций

Из рисунка видно, что в случае б) АМплитудной модуляции, внешнее воздействие направлено на амплитуду сигнала, а в случае в) ЧМ / частотной модуляции, внешнее воздействие направлено на частоту колебаний.
Как же происходит прием (выделение) нужного (полезного) сигнала из высокочастотного промодулированного?!
Все на самом деле ОЧЕНЬ ПРОСТО !!!
Все процессы происходят в обратной последовательности.
Антенной принимается НЕСУЩАЯ (промодулированная)  частота, не важно какая (модуляция АМ или ЧМ или, или, …) и накладывается на стабильную частоту (не модулированную). В Радиотехнике, генератор стабильной частоты ЛЮБОГО РАДИОПРИЕМНИКА (приемник, телефон, телевизор и т.д.) называется ГЕТЕРОДИНОМ. В идеале, частота гетеродина, должна быть немного больше  несущей. Таким образом, можно выделить из более высокой (принятой) несущей частоты, необходимую часть оригинальной информации.

выделение промежуточной частоты

Давайте попробуем перевести вышеизложенное, в немного математическую плоскость с наверняка практическим уклоном . Повспоминайте РАРИТЕТНЫЕ (свистящие) радиоприемники, возможно вспомните допотопные, даже ламповые…! Это самое оно!!!
Допустим нужно передать УКРАИНСКОЕ РАДИО (УР-1) допотопный радиосигнал частотой 549кГц . Т.К. 549кГц (549 000 колебаний в секунду) получить такое количество колебаний в секунду механически, просто не реально.
А вот электронным способом запросто (лампы или транзисторы).
И так, имея генератор с частотой 549 кГц и внося (полезную помеху) в источник питания. На выходе получим АМПЛИТУДНО модулированный сигнал частотой 549 кГц. Если сделать генератор стабильной частоты, допустим 562 кГц (т.е. всего на +/- 3 кГц) больше несущей и к этому генератору подключить кусок провода, то в итоге мы получим простейший приемник

https://ru.wikipedia.org/wiki/Детекторный_приёмник

(детекторный приемник, это сограждане школьный курс физики, ну, вдруг кто пропустил…).

Подитожим.
За пару сотен км. принимаем (куском провода- антенной)  частоту 549кГц подключенной к генератору стабильных колебаний 562кГц и получаем на выходе звук. Ни какой магии! Если вы начали с самого начала, то вы помните, что человеческое ухо способно услышать до 20 тысяч колебаний в секунду (20кГц если вы музыкант), речевой (разговорный) спектр, находится в пределах 3 кГц (3000 колебаний в секунду). В итоге, принятые 549кГц наложим на 562кГц, получим разницу 3кГц (т.е. исходный звук.)
ГЕТЕРОДИН (стабильные колебания) 562кГц – 549кГц НЕСУЩАЯ (промодулированная) = 3кГц (т.е речь). И теперь то же, но на картинке

простейший детекторный приемник

Дополнение.
На рисунке выше, схематически изображен (переменный) конденсатор и катушка (индуктивности) образующие в совокупности – ГЕТЕРОДИН (генератор стабильных колебаний). Генерируемые колебания гетеродина зависят от величин конденсатора и катушки. С помощью переменного конденсатора состоящего из двух групп пластин, смещаемых одна относительно другой, можно изменять емкость конденсатора, что приведет к изменению генерируемым колебаний гетеродином. При наложении (большей или меньшей) частоты гетеродина на принимаемую частоту антенной, будет приниматься уже другая несущая частота (радиостанция). Например сигналы бедствия, под которые выделены отдельные частоты.

Сигналы бедствия
https://ru.wikipedia.org/wiki/Сигнал_бедствия

Так же, на рисунке изображен диод. Диод имеет свойство пропускать ток в одном направлении. Выделив полезный сигнал (3кГц) его необходимо из переменного сделать “постоянным”, ПРОДЕТЕКТИРОВАТЬ, что и делает диод.

Остается надеяться,  что изложенный выше материал, более чем исчерпывающе донес  ОСНОВЫ РАДИОПРИЕМА.
НО ЭТО ВСЕГО ЛИШЬ ПОВЕРХНОСТНАЯ ОСНОВА !

Для большего ( ПОЛНОГО ) понимания нежели основы радиоприема, необходимо ввести несколько основных терминов и систематизировать их.
И так, в основе любого современного приемного устройства ( мобильный телефон, телевизор, приемник, спутниковый или эфирный тюнер, СПУТНИКОВАЯ ГОЛОВКА и  т.д….) заложены все те же принципы, изобретенные 100 лет назад, но до безобразия усовершенствованные.
   Совершенствования и усложнения обусловлены освоением все новых, БОЛЕЕ ВЫСОКИХ частотных диапазонов, и массивов передаваемых данных,  которые своими  величинами , превращают  изобретение  вековой  давности  в просто историческую хронику. Это все равно, что сравнивать первый велосипед  и современны реактивный самолет.
Но колесо есть как в первом, так и (шасси) во втором случае.
Материал находящийся ниже, вносит большую ясность в глубину происходящих ( ОСНОВЫНЫХ ) процессов происходящих в ЛЮБОМ СОВРЕМЕННОМ ПРИЕМНИКЕ (приемной части).
   На рисунке ниже, изображена СТРУКТУРНАЯ СХЕМА практически любого современного приемника (тюнера), а точнее приемного тракта.
В любом современном приемнике, для выделения нужного (маленького полезного участка) сигнала из определенного частотного диапазона, кроме приемной антенны (а точнее сразу за ней), находится входной колебательный контур состоящий из катушки проволоки и конденсатора. От величин катушки (диаметр провода, диаметр катушки, число витков) и емкости конденсатора будет зависеть резонанс  входного контура, если проще (доходчивей) для обывателя, то это как замочная скважина, к которой подойдет определенный ключ (не больше, не меньше).  Т.Е. контур с определенными параметрами, сможет пропустить через себя определенную волну (частоту) а все что выше или ниже,  попросту не “пройдет”. Так же, за колебательным контуром, может находится усилитель принятого (выделенного) сигнала, что повысит чувствительность приемника.
Неотъемлемой составляющей приемника, является ГЕТЕРОДИН (источник стабильных колебаний определенной величины).
Две имеющиеся частоты: принятая (выделенная) и сформированная гетеродином, поступают в смеситель, где происходит наложение одной, на другую (вычитание). Будет уместным привести пример.

приемник прямого преобразования

Допустим мы принимаем FM радиостанцию, и для простоты примера, пускай она будет частотой ровно 100 МЕГАГЕРЦ (MHz). Пройдя входной колебательный контур (и возможно усилитель ), данная частота, попадет в смеситель  с одной стороны, а с другой стороны, сгенерированная СТАБИЛЬНАЯ ЧАСТОТА ГЕТЕРОДИНА, и равна она будет 110,7MHz. Почему именно 110,7MHz? Потому что, если мы отнимем от 110,7MHz (частота гетеродина)-100MHz(принимаемая станция)= то получим 10,7MHz(разница).
ЭТА ВЕЛИЧИНА НАЗЫВАЕТСЯ – ПРОМЕЖУТОЧНАЯ ЧАСТОТА ( ПЧ ), т.е.разница принимаемой и генерируемой (гетеродином). Почему именно такая? Есть ряд выделенных, специальных  частот, которые как бы  “приоритетные”. Это как машина со спец сигналами, имеет преимущество и все ей уступают ( более уместней – держаться подальше…) . Например ПЧ любого ТВ равна 38MHz, а ПЧ звука в том же ТВ 5,5MHz отечественный и 6,5MHz- Западный стандарт. В вещательных приёмниках длинных, средних и коротких волн промежуточная частота равна 465 или 455 кГц и т.д., т.п.
Давайте немного вернемся к входному колебательному контуру и его ВАЖНОСТИ, не смотря на его простоту. В чем же важность?!  Допустим его нет, а все что поймает антенна, попадает прямиком в смеситель. Пускай это будут как уже указывалось ранее 100MHz + (соседние станции/частоты)  хххMHz, хххMHz, 121,4MHz … и т.д. Частота ГЕТЕРОДИНА не изменилась и равна 110,7MHz.
Что же получается 110,7-100=10,7 и 121,4-110,7=10,7 т.е. на выходе смесителя сразу две ПЧ от двух соседних станций, а это есть помеха.
Кроме колебательного контура, а точнее между  колебательным контуром и антенной, могут находится широкополосные фильтры (такие же контуры) но пропускающие определенный участок диапазона (допустим от 80 до 110MHz) а все что выше и ниже обрезается. В итоге улучшается помехоустойчивость(избирательность по зеркальному каналу). Величина подавления помех фильтрами, в совокупности  входным колебательным контуром является одной из основных характеристик любого приемника.
Перенастраивая (крутя ручку приемника) и меняя синхронно емкость переменного конденсатора как в ВХОДНОМ КОЛЕБАТЕЛЬНОМ КОНТУРЕ так и в ГЕТЕРОДИНЕ, одновременно можно менять как резонанс колебательного контура (пропускаемую частоту), так и генерируемую  частоту гетеродина,  в итоге при их (сложении или вычитании ) можно получить стабильную ПРОМЕЖУТОЧНУЮ ЧАСТОТУ.
С момента изобретения РАДИО ( более ста лет ) эти принципы применяются и сейчас ( в простых карманных FM приемниках).
Левый рисунок – ламповый приемник с изображенным ПЕРЕМЕННЫМ КОНДЕНСАТОРОМ.
Правый рисунок – современный приемник на полупроводниках (транзисторы и микросхемы).

Ламповый приемник, внимание акцентировано на переменный конденсатор Приемник на полупроводниках, внимание акцентировано на переменный конденсатор

Основным смыслом подобных манипуляций в любом приемнике, является понижение частоты, потому как более низкие частоты, проще обрабатывать. Высококачественные приемники построены  с двойным а иногда и тройным преобразованием промежуточной частоты.
Например на стандартную ПЧ в 10,7MHz, выпускаются специализированные керамические фильтры. Пройдя ФИЛЬТР ПЧ, сигнал в очередной раз может быть усилен в УСИЛИТЕЛЕ ПЧ.
После усилителя ПЧ происходит ДЕТЕКТИРОВАНИЕ полезного сигнала  (преобразование в исходный сигнал) если допустим это радиоприемник, то продетектированный сигнал будучи усиленным в усилителе и  поданным в наушники или динамик, приобретет начальный вид, т.е звуковые колебания (звук).
У многих может возникнуть  закономерный вопрос ( и не один! )
 На современном телевизоре, тюнере  или в телефоне (слушая радио) ПОЧЕМУ ТО ОТСУТСТВУЕТ ПЕРЕМЕННЫЙ КОНДЕНСАТОР, который нужно крутить (перестраивать), а переключение каналов осуществляется всего лишь нажатием  одной кнопки.
 В чем (где) подвох? Куда делся переменный конденсатор (который больше и тяжелей телефона) ?
Будучи видоизмененным, он как и ранее, находится все в тех же ключевых узлах. Если точнее, это принципиально другой компонент со свойствами переменного конденсатора, и называется он ВАРИКАПом.

Управление варикапом

Скорее этот элемент, можно отнести к видоизмененному диоду, воздействуя на который напряжением определенного потенциала, можно изменять  его емкость и как (полезное) следствие, изменять резонансную частоту колебательного контура.
А как же меняется напряжения на ВАРИКАПЕ ? Вопрос вполне закономерный, учитывая тот факт, что любое современное устройство относится к цифровым.
А наверняка вы слышали, что под понятием цифрового принципа заложены всего две цифры: 0 и 1.
0- нет напряжения, 1 – есть напряжение.  Но это всего два состояния, а воздействовать на ВАРИКАП необходимо плавно в определенном диапазоне. Реализовано это”довольно просто”.
Ниже картинка, описывающая общий принцип происходящих процессов в глубине вашего любого современного устройства: телефона или автомагнитолы  (слушая радио при настройке или переключении станций), телевизора (переключая каналы) и т.д.

Цифровой приемник

Давайте за пример возьмем автомагнитолу с FM приемником, наверняка каждый с подобным сталкивался.
И так, глядя на индикатор устройства, вы видите индицируемую частоту (или номер канала), а это опять таки комбинации нулей и единиц подаваемых процессором на дисплей, точнее на каждый, отдельно взятый элемент дисплея. С другой стороны, процессор в то же время (синхронно), выдает определенное (заданное) количество импульсов (т.е. единиц) соответствующее, отображаемому значению, которое вы видите на индикаторе устройства в определенный (отдельно взятый) момент. Изменяющееся количество импульсов, за определенный промежуток времени называют СКВАЖНОСТЬЮ. Переключая номера каналов ( приемник или ТВ ), за каждым отдельным показанием (индицируемый номер канала или частота, закрепляется четкое количество выдаваемых импульсов (скважность импульсов). Если такие импульсы, подавать на конденсатор, параллельно включенный с сопротивлением, то конденсатор зарядится, и будет разряжаться, отдавая свой потенциал на резистор, до поступления следующего импульса. Чем импульсов будет больше, тем меньше конденсатор будет успевать разряжаться И НАОБОРОТ. Таким образом напряжение на конденсаторе будет “находиться” в определенном (заданном/нужном) диапазоне имея вполне приличное аналоговое  показание (т.е плавное заданное изменение напряжения) которое потом и поступая на ВАРИКАП, изменит его емкость, что и требовалось.

Вся связка этих процессов подпадает под формулировку – СИНТЕЗАТР ЧАСТОТЫ.

Интересное отступление. Например раньше в военной области (а сейчас и в гражданских, доступных радиостанциях) кодирование сигнала  (речи) осуществлялось частым (десятки раз в секунду) в определенной последовательности, синхронным изменением принимаемых/передающих  каналов. В итоге, не зная заданной комбинации, можно  перехватить всего лишь звук из целого предложения (массива информации).

Данный раздел, вносит ясность в основы происходящих процессов в любом приемном устройстве, будь то карманный FM приемник или спутниковая система. Принцип не меняется, меняются лишь величины принимаемых частот. Если забежать на перед, и рассмотреть спутниковую систему в комплексе: 1) тарелка, 2) головка, 3)тюнер, то как и в карманном приемнике, в спутниковой системе происходит преобразование (понижение) частоты. Головка,  являясь первым звеном, преобразовывает  СВЕРХ ВЫСОКИЕ ЧАСТОТЫ , в более низкие (конвертирует, отсюда и название- КОНВЕРТЕР) по все тем же сто летним принципам (гетеродины, смесители…) будучи пониженным, сигнал от головки,  представляется возможным передать по кабелю к тюнеру, по сути  этот сигнал является ПЕРВОЙ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТОЙ. Поступая в тюнер, происходит следующая обработка сигнала, основанная все на тех же принципах … описанных выше …

ЛОГИЧЕСКИМ ЗАВЕРШЕНИЕМ  вышеизложенной  информации ( а точнее части основных принципов),И СВЯЗУЮЩИМ ЗВЕНОМ СО СЛЕДУЮЩИМ РАЗДЕЛОМ выбран как наглядный пример, (раритетный по нынешним меркам)АНАЛОГОВЫЙ СПУТНИКОВЫЙ ТЮНЕР, 20летней давности. А потому как отдельные узлы и элементы в конструкции тюнера хоть как то можно разглядеть и связать в кучу...

Аналоговый спутниковый тюнер

Общий вид аналогового спутникового тюнера. Акцентировано внимание на фильтрах ПЧ (отмечены стрелками). В правой части ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ПРИЕМНИК (это типа как в телевизоре МВ или ДМВ блоки). ПЧ звука, реализована на доступных FM фильтрах применяемых в обычных карманных радиоприемниках  – 10,7MHz, а для формирования стереозвука, выбрана вторая ПЧ  10,52MHz (разнос всего в 0,18MHz) позволял передавать звук в стерео режиме. Но это общие черты…  Важным является сам ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ БЛОК, именно его детальное описание приблизит вас к пониманию происходящих процессов уже в цифровых (современных) тюнерах.

ВЧ блок

Не смотря на кажущуюся сложность, все на самом деле вполне логично и понятно… Как и в описанных ранее принципах обычного приемника… РАЗНИЦА ЛИШЬ В БОЛЕЕ ВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ.
Поступив на вход приемника ( 1 ) при необходимости, сигнал предварительно усиливается, цифрой ( 2 ) отмечен входной контур перенастраивающийся на необходимую частоту. Цифрой ( 3 ) отмечен первый гетеродин, который формирует необходимую частоту (для последующего преобразования). Входной колебательный контур (2 ) и гетеродин (3 ) СИНХРОННО ПЕРЕНАСТРАИВАЮТСЯ с помощью варикапов (напоминание! Варикап меняет свою емкость при воздействии на него напряжением, емкость зависит от поданного напряжения). Управляющее напряжение формирует СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЙ СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТЫ ( 5 ) застабилизированный кварцем (6 ), это такой себе электронный аналог механической ручки настройки обычного карманного приемника. И так, выделенный сигнал колебательным контуром ( 2 ) накладывается на сгенерированный сигнал гетеродина ( 3 ), все это происходит в смесителе ( 4 ). Выделенный ( а более уместно – пониженный ) в очередной раз, сигнал проходит через фильтр ПЧ ( 7 ) на видео демодулятор ( 8 ), в котором сигнал окончательно преобразовывается (понижается и демодулируется в видеосигнал).

Описанные решения были актуальны 20 лет назад, в эпоху аналога. Сейчас же, в эпоху передачи оцифрованного сигнала, в добавок ко всему перечисленному, добавились ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (ЦАП) и это ни коим образом НЕ ЗАНИЖАЕТ ТРЕБОВАНИЯ К УСТОЯВШИМСЯ ОСНОВАМ (наработанным техническим решениям), СКОРЕЕ НАОБОРОТ !!!