Имени адмирала С.О. Макарова

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА

Имени адмирала С.О. Макарова

________________________________________________________________      

М.Б.Солодовниченко Электронное учебное пособие по дисциплине Радиосвязь и телекоммуникации. Ч.1. Теоретические основы радиосвязи Санкт-Петербург 2020

 

 

Содержание

 

Аннотация.................................................................................................... Глоссарий…………………………………………………………………. Введение …………………………………………………………………. 1. Классификация навигационных радиоэлектронных систем....... 1.1. Базовые понятия и определения......................................................... 1.2. НРЭС с передачей информации......................................................... 1.3. НРЭС с зондированием пространства............................................... 1.3.3. НРЭС комбинированные.................................................................. Контрольные вопросы к разделу 1 …………………………………….... 2. Характеристики изделий, процессов и явлений…...………….... 2.1. Понятия характеристик и их типов.................................................... 2.2. Параметры, их величины и измерение............................................... 2.3.  Формулы.............................................................................................. 2.4. Графики................................................................................................ Контрольные вопросы к разделу 2…………………………………………… 3. Сигналы и помехи в НРЭС…………………………………............. 3.1. Понятие сигнала и помехи…………………………………….......… 3.2. Параметры сигналов, их величины, размерность.............................. 3.3. Основные формулы для сигналов…................................................... 3.4. Графическое изображение сигналов…………………....................... 3.5. Типы сигналов в НРЭС........................................................................ Контрольные вопросы к разделу 3…………………………………………… 4. Обобщенная функциональная схема НРЭС..................................... 4.1. Общие замечания.................................................................................. 4.2. Передающая подсистема...................................................................... 4.3. Приемная подсистема.......................................................................... 4.4. Подсистема контроля и управления................................................. 4.5. Обобщенная функциональная схема двухсторонней связной РТС. 4.6. Линия трансляции……………………………………………………. 4.7. Радиоволны.…...................................................................................... 4.8 Принципы выбора рабочей частоты для обеспечения требуемой дальности связи............................................................................................ 4.9 Электромагнитная совместимость РТС............................................... Контрольные вопросы к разделу 4……………………………………………. 5. Принцип действия и основные характеристики устройств НРЭС.............................................................................................................5.1. Передающие терминалы…………………………………………….. 5.2. Передатчики…………………………………………………………... 5.3. Приемники............................................................................................. 5.4. Способы борьбы с помехами в устройствах НРЭС………………... 5.5. Антенны................................................................................................. 5.6. Элементы оконечных устройств………………………….………… 5.7. Модемы в телекоммуникационных системах.................................... 5.8. Выпрямители......................................................................................... 5.9. Источники электропитания.................................................................. Контрольные вопросы к разделу 5……………………………………………. 6. Электронная компонентная база оборудования НРЭС.................. 6.1. Общие сведения..................................................................................... 6.2. Классификация электронных компонентов........................................ 6.3. Пассивные электронные компоненты................................................. 6.4. Активные электронные компоненты................................................... Контрольные вопросы к разделу 6 …………………………………………... Заключение……………………………………………………………….. Библиографический список........................................................................

4 5 6 9 9 11 12 1415 16 161618 1920 21 21 21 2324 2527 28 28 283032343535   36 37 3839 39 39475964 73 77 79 81 81 83 85 85 86 96 88 95 96 97

 

 

АННОТАЦИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Радиосвязь и телекоммуникации.

НРЭС с передачей информации

 

НРЭС-ПИ бывают односторонними, передающими информацию в одну сторону, и двухсторонними, передающими информацию встречно. НРЭС-ПИ, в зависимости от вида выдаваемой информации, разделяют на связные и телевизионные.

 

1.2.1. Телевизионные НРЭС-ПИ

 

Телевизионные НРЭС-ПИ осуществляют последовательную трансляцию на видеомонитор видео-картинок с частотой повторения не менее 16 Гц, что обеспечивает их восприятие человеком как движущегося изображения из-за инерционности мышления.

Телевизионные НРЭС-ПИ в настоящее время применяются для контроля обстановки на судне и вокруг него прежде всего с целью охраны судна.

 

1.2.2. Связные НРЭС-ПИ

 

Связные НРЭС-ПИ обеспечивают передачу информации между береговыми службами и судами (берег–судно или судно–берег), между судами (судно–судно), или между абонентами внутри судна, при этом в зависимости от формы ее предоставления разделяются на следующие виды:

– звуковые — речь или специальные звуковые сигналы (радиотелефония или судовое командное трансляционное устройство);

– узкополосные буквопечатающие (УБПЧ) — при помощи телетайпов (буквопечатающий аппарат с клавиатурой);

– факсимильные — текстовые сообщения, карты, картины и др., распечатанные на бумажных листах при помощи факсов;

– цифрой избирательный вызов (ЦИВ) — передача оповещений и вызовов на связь в виде формализованных сообщений;

– компьютерные файлы (ПКФ) — передача информации между персональными компьютерами (ПК).

Современные связные НРЭС-ПИ представлены системами МПС, INMARSAT, элементами комбинированных систем NAVTEX и АИС.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗДЕЛИЙ, ПРОЦЕССОВ И ЯВЛЕНИЙ

Формулы

Формула — это условная запись взаимосвязи величин различных параметров. В нее входят обозначения величин параметров, цифры и различные математические знаки.

В радиоэлектронике используются два вида формул, показывающих:

– взаимосвязь величин различных параметров;

– изменение величин параметров во времени (для ЭК) или в пространстве (для радиоволн).

Далее для наглядности переменные величины параметров в формулах будем отмечать знаком « _̃» (например, А̃). Примеры формул для величин параметров ЭК приведены в 3.3.

 

Графики

График — это отображение соответствующей формулы. В инженерной практике применяются графики с двумя осями отсчета значений аргумента и функции, изображаемыми на плоскости перпендикулярно друг другу.

График строится «по точкам», т. е. задается ряд значений аргумента (t), для которых по формуле рассчитываются соответствующие значения функции (U). Каждое значение аргумента откладывается на оси аргумента (горизонтальной), а соответствующее значение функции — на вертикальной оси, затем проводят перпендикуляры к указанным осям из засечек величин аргумента и функции и на пересечении этих перпендикуляров изображают «точку» (пример построения дан на рис.2.1). Графическое изображение функции (в общем случае это кривая) может быть получено при расчете и изображении очень большого количества «точек», которые сольются в кривую-график. На практике для исключения такой необходимости выполняют расчет разумного (по возможности побольше) количества «точек» и их превращения в «кривую» методом аппроксимации. Этот метод представляет собой подбор плавной кривой, проходящей по возможности ближе к рассчитанным «точкам». Учитывая, что ввиду возможных ошибок расчета некоторые из них могут отстоять достаточно далеко от указанной кривой, в этом случае их называют выбросами, так как при аппроксимации их выбрасывают из графика. Поэтому перед аппроксимацией следует выполнить анализ рассчитанного массива точек на наличие выбросов, для чего «точки» можно последовательно соединить отрезками прямой и определить выбросы по резкому изменению ими общей закономерности хода предполагаемого графика.

 

Контрольные вопросы

 

1. Приведите примеры кратных и дольных единиц.

2. Укажите отличие в выражении в децибелах безразмерных и размерных величин.

3. Укажите назначение измерения.

4. Дайте определение формулы и графика.

СИГНАЛЫ И ПОМЕХИ В НРЭС

 

Понятие сигнала и помехи

 

В общей практике сигналом (С) называют объект, который несет информацию потребителю, поэтому в НРЭС сигналом будет такое ЭК, величина хотя бы одного из параметров которого была ранее неизвестна потребителю, узнав которую потребитель получит информацию (новое знание). Информацию в сигнале содержит РНП.

Помеху (П) также следует рассматривать как сигнал, так как она принципиально является таковой именно потому, что о ее параметрах не все известно потребителю. При этом разница между сигналом и помехой будет заключаться в том, что сигналы, в отличие от помех, несут интересующую потребителя информацию. Известно, что в большинстве электрических цепей, имеющих линейный характер, сигналы и помехи суммируются.

 

Примеры наименований и обозначений параметров сигналов,

Их величин и размерностей

Наименование параметра	Обозна-чение параметра	Наименование величины параметра	Обозначение величины параметра	Размерность величины параметра	Обозначение размерности величины параметра
Ток	I	Величина (сила) тока	I или Ĩ	Ампер	А
Напряжение	U	Величина напряжения	U или Ũ	Вольт	В, V
Мощность	P	Величина мощности	P или P̃	Ватт	Вт. W
Период	T	Величина периода	T или T ̃	Секунда	с, s
Частота	F	Величина частоты	F или F ̃	Герц	Гц, Hz
Фаза	φ	Величина фазы	φ или φ̃	Градус (радиан)	°, рад, rad
Длительность импульса	τ	Величина длительности	τ или τ̃	Секунда	с, s

Ток — сила потока электрических зарядов.

Напряжение — разность потенциалов на заданном отрезке электрической цепи.

Мощность — работа, выполняемая ЭК в единицу времени.

Ток, напряжение или мощность также называют амплитудой ЭК.

Период или период следования — наименьшая длительности части ЭК, которая многократно в нем повторяется.

Частота или частота следования — количество периодов в единице времени.

Длительность импульса — интервала между передним и задним фронтами импульса.

Понятие фазы в самом широком смысле применимо к любому наблюдаемому процессу (изменение чего-либо во времени или пространстве) и обозначает одно из возможных его состояний. Так, термин «фазы Луны» применим к процессу изменения ее внешнего вида во времени, в связи с чем Луна имеет множество фаз (вариантов ее внешнего вида), среди которых при необходимости можно выделить четыре особых фазы: новолуние, полнолуние, правая четверть, левая четверть. Для обозначения фазам могут присваиваться определенные наименования, буквенные, цифровые или специальные знаки.

Величины фаз циклических процессов обозначают в круговых (угловых) градусах или радианах, так как циклический процесс условно можно изобразить движущимся по кругу и нанести на этот круг 360 равномерно распределенных рисок(делений) с значениями от 0 до 359 град. Такой круг далее будем называть круговой отсчетной шкалой, которую также применяют для отсчета направлений.

 

Типы сигналов в НРЭС

 

В НРЭС применяются периодические сигналы (ЭК), среди которых различают синусоидальные и импульсные, а среди последних различают видеосигналы (ВС) и радиосигналы (РС).

Видеосигнал — это сигнал в форме видеоимпульса (ВИ).

Радиосигнал — это сигнал в форме радиоимпульса (РИ).

 

3.5.1. Синусоидальные периодические сигналы

 

В НРЭС применяют следующие виды периодических сигналов или ЭК (рис.3.4):

– синфазные (одинаковофазные), фазы которых постоянно совпадают;

— синхронные (связанные во времени), характеризуемые постоянной разностью фаз;

– фазированные (когерентные),у которых отсчетыфаз совпадают в отдельные моменты времени (моменты фазировки); далее для определенности будем рассматривать в моменты фазировки совпадение нулевых отсчетов фаз.

Из рис.3.4 следует, что синхронные и синфазные сигналы могут быть только с одинаковыми частотами, а когерентные — с разными кратными (которые находятся в целочисленных отношениях) частотами.

Синхронные процессы отличаются от синфазных наличием постоянного сдвига фаз ∆φ между их нулевыми отсчетами, что позволяет синхронные процессы превращать в синфазные путем выполнения предварительной увязки (совмещение во времени) нулевые отсчеты их фаз, т. е. предварительного обнуления постоянный сдвиг фаз между ними.

3.5.2. Видеосигналы

 

ВС  или ВИ — это такое ЭК, АВГ которого представляет собой простейшую последовательность двух перепадов амплитуды (с одного уровня на другой и обратно), т. е. необходимыми и достаточными признаками ВС (ВИ) являются наличие в нем двух уровней амплитуды и двух ее перепадов (на рис. 3.5 обозначены, соответственно, U 1, U 2 и I, II). В связи с ранее изложенным в ВС (ВИ) различают передний (I перепад) и задний (II перепад) фронты, а также вершину.

В зависимости от направления первого перепада (переднего фронта) различают ВС или ВИ положительной (перепад вверх) или отрицательной (перепад вниз) полярности; на рис.3.5 все ВС (ВИ) положительной полярности.

На рис.3.5 приведены ВС или ВИ идеальной формы. В реальных электрических цепях форма ВС бывает более сложной конфигурации, в связи с чем могут вводиться их дополнительные характеристики, описывающие форму фронтов и вершины.

 

3.5.3. Радиосигналы

 

РС или РИ представляет собой ЭК, АВГ которого выглядит как отрезок синусоиды длительностью от нескольких величин ее периода до продолжительности слова сообщения (рис.3.6).

РС или РИ могут иметь разные виды изменения (модуляции) величины их параметров, например, амплитудную (АМ), линейную частотную модуляцию (ЛЧМ), фазокоммутированную модуляцию (ФКМ) и др.

 

Контрольные вопросы

1. Дайте определение сигнала.

2. Дайте определение помехи.

3. Приведите примеры размерностей величин параметров сигналов.

4. Приведите примеры типовых сигналов в НРЭС.

5. Дайте определение спектра сигнала.

6. Как связаны между собой длительность сигнала и его и спектр?

7. Дайте определение видео- и радиосигналов.

8. Дайте определение и нарисуйте график амплитудно-модулированного сигнала.

9. Дайте определение и нарисуйте график частотно-модулированного сигнала.

10.  Дайте определение и нарисуйте график сигнала при фазокоммутированной модуляции.

Общие замечания

 

Для описания устройств НРЭС применяют различные схемы, представляющие собой их условное изображение изделия, поясняющее его принципдействия (функционирования) или построение. Схемы бывают структурные, блочные, функциональные, принципиальные электрические,монтажные и др.

Структурная, блочная и функциональная схемы изображаются в виде прямоугольников, соединенных стрелками, показывающими направление передачи сигналов (ЭК), или последовательность выполнения их преобразований. В структурной схеме указанные прямоугольники изображают приборы,в блочной — блоки, а в функциональной — функциональные узлы.

Функциональные узлы отображают выполняемую ими функцию (функциональное преобразование), обозначаемую на них в виде кратких записей, формул или условных знаков. Известна также электрическая функциональная схема, на которой дополнительно к функциональным узлам приводятся электрические элементы, изображаемые специальными значками.

Под обобщенной функциональной схемой будем понимать схему, содержащую минимальное количество функциональных узлов и связей, необходимых для реализации данного типа изделия.

 

 

Основными функциональными элементами НРЭС являются
(рис.4.1):

– передающая подсистема;

– линия трансляции;

– приемная подсистема;

– подсистема контроля и управления НРЭС.

В НРЭС-ПИ информация в виде НП вводится в передающую подсистему, где преобразуется в РНП, а в НРЭС-ЗП информация извлекается из окружающего пространства в виде РНП.

Внешние помехи от других НРЭС могут поступать из линии трансляции, а также в виде внешних наводок.

Внутри всех элементов передающей и приемной подсистем НРЭС также образуются внутренние помехи в виде электрических шумов, создаваемых активными элементами (выдающими носители зарядов) электрических цепей.

Передающая подсистема

 

Передающая подсистема включает:

– передающий терминал (ПЕТ);

– передатчик (ПРД);

– передающую (излучающую) антенну (А_ПРД).

В ПЕТ закладываются значения всех параметров вырабатываемого им ЭК, которые можно разделить на РНП (информативные параметры) и технические (неинформативные) параметры (ТП). В НРЭС-ПИ в качестве ПЕТ, т. е. преобразователя вводимых извне НП в РНП, могут применяться микрофон, телеграфный ключ, телетайп, кодирующее устройство, компьютер и т.п.

В НРЭС-ЗП в ПЕТ закладываются значения только ТП, поэтому в них РНП нет. При этом роль ПЕТ обычно выполняют генераторы низкочастотных (НЧ) РИ или ВИ с заданными значениями ТП.

Интенсивное развитие средств вычислительной техники, внедрение в технику коммуникаций персональных компьютеров (ПК), привело к необходимости передачи аналоговых (непрерывных, гладких) ЭК цифровыми методами. Преобразование аналогового ЭК в цифровой осуществляют при помощи АЦП.

В цифровых ПЕТ также может применяться кодирование, т. е. превращение оцифрованного (дискретизированного) ЭК в специальную кодовую последовательность. Кодирование применяется по двум направлениям:

– для передачи информации в зашифрованном виде;

– для борьбы с помехами.

Традиционное наименование «передатчик» в принципе не соответствует выполняемой им функции, так как передачу (излучение) сигналов осуществляет А_ПРД, а назначением ПРД являются:

– преобразование поступающих НЧ РИ или ВИ в радиочастотные (РЧ) РИ, удобные для использования в радиолинии, т.е. ПРД повышает частоту сигналов до необходимой величины РЧ;

– усиление (повышение амплитуды) сигналов для обеспечения требуемой мощности излучения.

Примерами обособленной реализации передающей подсистемы являются различного типа аварийные радиобуи (АРБ), применяемые на судах и спасательных средствах.

 

Приемная подсистема

 

Приемная подсистема включает:

– принимающую антенну (А_ПРМ);

– приемник (ПРМ);

– оконечное устройство (ОУ) или принимающий терминал (ПРТ).

Традиционное наименование «приемник» в принципе не соответствует выполняемой им функции, так как прием осуществляет А_ПРМ, а главным назначением ПРМ являются:

– преобразование принятых РЧ РС в НЧ РС или ВС, удобные для отображения в ОУ;

– усиление полезных сигналов до величины амплитуды, необходимой для нормального функционирования ОУ.

ОУобеспечивает извлечение информации из поступающих с выхода ПРМ сигналов и ее выдачу потребителю в виде РНП и/или ПНП и ВНП, которые могут быть считаны им из ОУ визуально или восприняты на слух.

 

Двухсторонней связной РТС

 

Односторонние связные РТС описываются схемой, приведенной на рис.4.1. К современным односторонним связным РТС относится ряд устройств системы МПС, а также каналы автоматической передачи информации АРБ в системах NAVTEX и КОСПАС-SARSAT, где АРБ выступают в качестве автоматической передающей подсистемы.

Особенности двухсторонней связной РТС описывает функциональная схема, приведенная на рис.4.2, представляющая собой два параллельных встречно направленных связных канала (см.рис.4.1).

 

В таких системах передающая и приемная подсистемы у каждого абонента связи объединены в устройство, называемое радиостанцией (РДС) или радиоустановкой (РДУ), при этом данные подсистемы представлены в следующем виде:

– А_ПРД и А_ПРМ — в виде одной совмещенной (приемо-передающей) антенны (А_ПП);

– подсистема контроля и управления РТС — в виде ПУ, встроенного в РДС или РДУ.

Двухсторонние связные РТС бывают симплексными, обеспечивающими поочередную передачу информации между абонентами, или дуплексными, осуществляющими одновременную двухстороннюю связь между ними.

Симплексные связные РТС ведут обмен на одной РЧ попеременно в режимах ПЕРЕДАЧА или ПРИЕМ. В дуплексных связных РТС обеспечивается одновременная двухсторонняя связь за счет применения двух встречных радиолиний с разными РЧ. К современным двухсторонним связным РТС относятся радиостанции и ряд других устройств, входящих в систему МПС.

 

Линия трансляции

 

В НРЭС-ПИ применяются линии трансляции в виде физической линии (провод, кабель, оптическое волокно) или радиолинии, образуемой прямой радиоволной между А_ПРД и А_ПРМ или переотраженной внешним объектом между ними.

В радиолинии применяются РЧ радиоволны, характеризуемые величиной длины волны (λ), т. е. расстоянием, проходимым радиоволной в течение ее периода (табл. 4.1).

 

Радиоволны

 

Радиоволны представляют собой совокупность электрического и магнитного полей и описываются уравнениями Максвелла — ученого, впервые обосновавшего гипотезу о том, что переменное электрическое поле возбуждает в окружающем пространстве переменное магнитное поле и наоборот.

Основные свойства радиоволн:

– в однородном пространстве радиоволны распространяются прямолинейно; скорость их распространения в вакууме равна с=300000 км/с;

– распространение радиоволны в проводящей среде (земле, воде, ионизированном газе) сопровождается поглощением ее энергии — превращением в тепло;

– при приходе нескольких радиоволн в одну точку пространства приходит их сложение — интерференция;

– при встрече с препятствиями радиоволна способна его огибать, что называется дифракцией, уменьшаемой с уменьшением длины волны.

Вблизи земной поверхности радиоволны распространяются иначе, чем в свободном пространстве, так как воздушная среда является неоднородной. Верхняя область атмосферы, содержащая свободные носители электрических зарядов, возникающие за счет влияния солнца, называется ионосферой. Электрические свойства ионосферы характеризуются концентрацией свободных зарядов — числом ионов и электронов в единице объема (1 м³). Концентрация зарядов зависит от времени года (летом больше, чем зимой) и времени суток (днем больше, чем ночью). При возрастании солнечной активности и космического излучения возникают резкие изменения ионизации — магнитные бури.

Концентрация ионов и электронов в ионосфере на разных высотах различна. Можно выделить несколько слоев с повышенной концентрацией ионов (рис. 4.3):

– нижний слой D на высоте 60–90 км с концентрацией до 10⁹/м³; этот слой образуется в дневное время, а ночью исчезает;

–   слой Е на высоте 120–150 км с концентрацией до 10¹¹ / м³ днем и до 10¹⁰/м³ ночью;

–   слой F на высоте 180–400 км с концентрацией до 10¹² / м³ днем и до 10¹¹ / м³ ночью.

При распространении радиоволн могут образовываться три вида таких радиоволн:

– поверхностные (распространяющиеся вдоль поверхности Земли);

– ионосферные (отраженные от ионосферы) или пространственные;

– земные (отраженные от водной поверхности Земли).

 

При распространении поверхностных радиоволн происходит потеря их энергии в слое D. При попадании в слои ионосферы радиоволны отражаются от них или преломляются (это зависит от степени ионизации ионосферы, РЧ и угла падения радиоволны). Максимальная РЧ радиоволны, которая может отразиться от ионизированного слоя при вертикальном падении на него, называется критической частотой (F_КР).

Атмосферные осадки, особенно сильный дождь, двояко влияют на пространственные радиоволны:

– проходя через них радиоволна затухает;

– от осадков радиоволна отражается в разных направлениях (рассеивается).

Свойства радиоволн прежде всего зависят от величины РЧ или длины волны λ. Связь между частотой и длиной волны определяется соотношением F _Гц·λ_М = С = 3∙10⁸_м/с (табл.4.1).

Радиоволны практически всех РЧ относительно хорошо отражаются водной поверхностью и хуже отражаются грунтом, особенно сухим.  

Сверхдлинные радиоволны (СДВ) могут проникать в землю и воду, что используется в системах связи с подводными лодками на глубинах до 30 м. Потери СДВ в воде тем меньше, чем меньше ее РЧ. В связи с большими габаритами и стоимостью СДВ оборудования связь в этом диапазоне в МПС не используется.

 

Таблица 4.1.

Передающие терминалы

Передающие терминалы (ПЕТ) предназначены для выработки ЭК в виде НЧ РИ или ВИ, которые далее выдаются в ПРД. Основу ПЕТ составляют генераторы указанных типов ЭК, при этом в них закладываются все значения параметров, среди которых могут быть РНП (в НРЭС-ПИ) или только ТП (в НРЭС-ЗП). В ПЕТ в качестве преобразователей НП в РНП применяются различной сложности устройства — от микрофонов до ПК.

Важнейшим требованием к НРЭС является обеспечение высокой достоверность получаемой от нее информации, обеспечение которой достигается применением в НРЭС цифровых технологий выработки, трансляции и предоставления информации пользователю.

Все реальные периодические ЭК, называемые аналоговыми, являются непрерывными функциями времени (на интервале их существования), поэтому в цифровых ПЕТ применяется аналого-цифровое преобразование (АЦП) вырабатываемых им ЭК, и в цифровых ОУ применяется процедура обратного восстановления аналогового ЭК из принятого цифрового сигнала путем его цифроаналогового преобразования (ЦАП).

 

5.1.1. Генераторы аналоговых ЭК

 

Генератор — это устройство, преобразующее энергию источника питания (источника постоянного тока) в ЭК заданной формы. Генераторы могут применяться в качестве датчиков ЭК в составе ПТ, гетеродинов в составе модуляторов и т. п.

Различают генераторы автоколебательные и ждущие.

Автоколебательный генераторначинает работать (вырабатывать соответствующее колебание) при его включении (ВКЛ-Т), при этом в нем задаются значения всех параметров вырабатываемого ЭК.

Ждущий генераторпосле ВКЛ-Т работу не начинает в ожидании дополнительных внешних толчков (внешнего запуска), осуществляемого запускающими импульсами (ЗИ), поэтому ждущий генератор определяет значения всех параметров вырабатываемого ЭК за исключением периода следования, который задают ЗИ. В связи с этим вырабатываемые ждущим генератором ВИ или РИ будут синфазными (при пренебрежимо малой задержке срабатывания ждущего генератора) или синхронными с ЗИ.

Качество генераторов характеризуется нестабильностью (D_F) т. е. отклонением реальной частоты генерируемого колебания от номинальной (заданной):

      D _F % = (| F _р – F _н / F _н)·100 %,                    (5.1)

 

где: F _р — реальное значение частоты, вырабатываемой генератором;

  F _н — номинальное (установленное) значение частота.

Отклонения возникают под воздействием различных дестабилизирующих факторов — колебаний напряжения питания, влияния температуры и т. п. Нестабильность современных генераторов составляет 10^-4 % и менее.

5.1.2. Аналого-цифровое преобразование сигналов

 

Применение АЦП базируется на теореме, доказанной в 1933 г. академиком В. А. Котельниковым и названной его именем. Согласно этой теореме, любой аналоговый бесконечный сигнал, характеризуемый конечным спектром, можно представить в виде дискретных отсчетов его амплитуды, частота выборки которых не менее чем в два раза выше максимального значения частоты спектра сигнала. На практике теорему Котельникова применяют к реальным, ограниченным во времени аналоговым сигналам, спектр которых, в принципе, бесконечен, с учетом допустимой погрешности восстановления сигнала после ЦАП.

В соответствии с теоремой Котельникова любой аналоговый сигнал может быть приближенно представлен в виде цифрового путем оцифровки (автоматического измерения) его амплитуд через интервалы времени Т _дис:

 

Т_дис = 1 / (2 F_мак),                               (5.2)

где F_мак — наибольшая выбранная частота спектра аналогового сигнала.

Применительно к АЦП процедуру выборки амплитуд аналогового сигнала с периодом его Т _ДИС называют дискретизацией, а процедуру их оцифровки — квантованием, характеризуемым шагом квантования U _кв и количеством квантов N _кв (рис. 5.1).

Для обеспечения последующего восстановления аналогового сигнала в ЦАП необходимо из АЦП выдавать значения Т_дис, U _кв и N _кв, которые предварительно кодируются.

Как правило, АЦП представляет собой электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Кроме того, к АЦП также относят некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом, например, некоторые типы преобразователей угол-код. Простейшим одноразрядным двоичным АЦП является компаратор, выдающий два уровня напряжения.

Разрядность АЦП характеризует максимальное количество дискретных значений, которые на выходе может выдать преобразователь. В двоичных АЦП разрядность измеряется в битах. Разрядностью АЦП определяется и его разрешение — минимальное изменение величины входного аналогового сигнала, которое может быть зафиксировано данным АЦП, т. е. разрядность АЦП определяет теоретически возможную точность АЦП. Процесс квантования по уровню связан с внесением некоторой погрешности, значение которой можно определить по формуле

 

Δ_кв ≤ ± U _кв / 2,                                  (5.3)

 

где Δ_кв — величина абсолютной предельной погрешности оцифровки (квантования) амплитуды, зависящая от разрядности АЦП.

На практике разрешение АЦП ограничено соотношением сигнал/шум входного сигнала. При большой интенсивности шумов на входе АЦП различение соседних уровней входного сигнала затрудняется, т. е. ухудшается разрешение. При этом реально достижимое разрешение описывается эффективной разрядностью (Effective Number Of Bits — ENOB), меньшей, чем реальная разрядность АЦП. При преобразовании сильно зашумленного сигнала младшие разряды выходного кода практически бесполезны, так как содержат сплошной шум.

Поскольку реальные АЦП не могут произвести аналого-цифровое преобразование мгновенно, входное аналоговое значение должно удерживаться постоянным, по крайней мере от начала до конца процесса преобразования; этот интервал времени называют временем преобразования. Такая задача решается путем использования специальной схемы на входе АЦП — устройства выборки-хранения.

К основным параметрам АЦП относятся:

– тип преобразуемой величины: напряжение, угол и др.;

– диапазон изменения входных величин;

– разрядность;

– погрешность преобразования;

– нелинейность преобразования;

– максимальная частота дискретизации.

В зависимости от принципа действия АЦП делятся на АЦП параллельного преобразования, поразрядного взвешивания, следящие, интегрирующие, многоканальные и др.

АЦП параллельного преобразования реализуют метод непосредственного считывания и являются наиболее быстродействующими.

АЦП поразрядного взвешивания (поразрядного кодирования) выполняет одно преобразование за несколько тактов. Такие АЦП нашли широкое применение в интегральных схемах (ИС) ввиду своей простоты и достаточно хорошего быстродействия.

Следящие АЦП, в отличие от АЦП поразрядного взвешивания, имеют в своем составе вместо регистра последовательных приближений реверсивный счетчик.

Интегрирующие АЦП относятся к медленно действующим преобразователям. Принцип их действия основан на преобразовании аналоговой величины во временной интервал и формировании число-импульсного (единичного) кода путем заполнения этого интервала импульсами опорной частоты. Погрешность интегрирующего АЦП определяется в основном воздействием внешних дестабилизирующих факторов, особенно температуры, что приводит к значительным погрешностям преобразования. Поэтому в настоящее время для построения интегрирующих АЦП используют принцип двойного интегрирования.

Принцип действия АЦПдвойного интегрирования заключается в том, что сначала в течение некоторого фиксированного интервала времени интегрируется аналоговая преобразуемая величина, а затем интегрируется эталонное (опорное) напряжение, затем результаты сравниваются. Такие АЦП обеспечивают высокую точность преобразования в условиях промышленных помех и большого интервала значений окружающей температуры, поэтому они широко используется в измерительной технике и автоматизированных системах управления.

Многоканальные АЦП широко используются для преобразования нескольких однотипных аналоговых величин. Такие АЦП включают аналоговый коммутатор и один из рассмотренных ранее АЦП. Аналоговый коммутатор поочередно подключает на вход АЦП через усилитель все входные сигналы. Для большинства АЦП разрядность составляет 6–24 бит, частота дискретизации — до 100 МГц.

АЦП используется везде, где требуется обрабатывать, хранить или передавать сигнал в цифровой форме:

- АЦП являются составной частью систем сбора данных;

- быстрые видео АЦП используются, например, в ТВ-тюнерах (параллельные и конвейерные АЦП);

- медленные встроенные АЦП: 8, 10, 12 или 16-битные АЦП, часто входят в состав микроконтроллеров;

- современные весы используют АЦП с разрядностью до 24 бит, преобразующие сигнал непосредственно от тензометрического датчика (сигма-дельта АЦП);

- АЦП входят в состав радиомодемов и других устройств радиопередачи данных;

- сверхбыстрые АЦП используются в цифровых СРЛС, цифровых осциллографах (параллельные, конвейерное и др.).

 

5.1.3. Кодирование

 

5.1.3.1. Общие сведения о кодировании.

 

В НРЭС-ПИ различают сигналы анало