Основы схемотехники радиочастотных систем. Часть 1

Время чтения: 34 минуты

В вводном разделе будет кратко освещена история отрасли: от первых идей и шагов до нынешних трендов и взгляда в будущее.

1873

Шотландский физик Джеймс КFлерк Максвелл публикует свой «Трактат об электричестве и магнетизме», впервые представив миру достоверное математическое обоснование существования электромагнитных волн (ЭМ-волн).

1885–1889

Немецкий физик Генрих Герц, очарованный теорией Максвелла, успешно доказывает на практике существование ЭМ-волн с помощью серии экспериментов в Университете Карлсруэ с 1885 года. Несмотря на это открытие, интерес Герца к радиоволнам был чисто научным; он не считал, что это имеет какое-либо практическое или коммерческое значение.

1890

Когерер — первый в мире функционирующий приёмник радиосигнала был изобретён Эдуардом Бранли во Франции. Хотя он и был очень ненадёжным и бесперспективным, разработка когерера стала важной вехой в развитии отрасли, позволившей проводить более сложные эксперименты в последующие годы.

1894

Молодой изобретатель-любитель по имени Гульельмо Маркони проводит свои первые эксперименты с передачей радиоволн на чердаке дома своих родителей в Италии (смотри статью «Телекоммуникационные сети: история появления, разновидности»). Генрих Герц умирает в том же году.

1897–1899

Маркони переезжает в Англию и проводит множество успешных демонстраций «беспроводной телеграфии» на короткие и средние расстояния с помощью радиоволн. В 1889 году он успешно передаёт радиосигналы через Ла-Манш.

1901

Маркони сотрудничает с Джоном Амброузом Флемингом, бывшим сотрудником компании Эдисона и учеником Максвелла. Вместе они проектируют и строят первый в мире радиопередатчик и приёмник дальнего действия на юго-западе Англии. После недель проб и ошибок Флеминг успешно передаёт сигнал через Атлантический океан Маркони, который ждёт в приёмной башне, построенной в Ньюфаундленде, Канада. Это была первая в мире успешная трансокеанская передача радиоволн.

1904

Разочарованный ненадёжной работой передатчиков и приёмников в своих экспериментах, Флеминг понимает, что решение скрыто в необходимости более качественного детектора высокочастотных сигналов. Он адаптирует конструкцию лампы накаливания и превращает её в двухэлектродную радиолампу — диод. Диод пропускал ток только в одном направлении и с успехом мог детектировать высокочастотные колебания. Диод или «лампа Флеминга» радикально улучшает работу радио.

1906

Американский изобретатель Ли де Форест разрабатывает трёхэлектродную лампу — триод «Аудион». К лампе Флеминга он добавляет управляющий электрод — сетку между катодом и анодом, позволяющий управлять протекающим через лампу током (смотри статью «Усилители звука: Разновидности, классы усиления и виды схемотехники»). В 1912 году была обнаружена способность радиоламп не только детектировать, но генерировать и усиливать сигналы. Это приводит к разработке технологии амплитудной модуляции, позволивший начать передачу звука с помощью радиоволн.

1914–1919

В период Первой мировой войны развитие гражданского радиовещания приостановлено. Радиосвязь передана для правительственных и военных нужд, но развивается и совершенствуется.

1920-е

«Золотой век радио». Начинается массовое гражданское и коммерческое использование радио. Потребителям становятся доступны качественные супергетеродинные радиоприёмники. Компания Маркони начинает ежедневное вещание; образовывается знаменитая British Broadcast Company (BBC). Радио становится главным средством массовой информации.

1930

Bliley Piezo-Electric Company (предшественник Bliley Technologies, Inc.) открывает свои двери «для всех» и начинает производство кварцевых резонаторов для использования в любительской дальней радиосвязи. Появление первых массовых радиостанций для личного использования.

1939

Роберт Уотсон-Уотт разрабатывает сеть радиовышек «Chain Home» для британских военных, способную обнаруживать приближающиеся вражеские самолёты на расстоянии до 100 миль, передавая радиоволны и вычисляя время, необходимое волнам для отражения от объекта и возвращения к приёмнику. Военно-морские силы США перенимают эту технологию и вводят для неё аббревиатуру «RADAR» (Radio Detection and Ranging).

1939–1945

Вторая мировая война приводит к крупным достижениям в области радиочастотной схемотехники. Радиосвязь играет неотъемлемую роль в военных и правительственных операциях у каждой из противоборствующих сторон. Глушение и перехват приводят к развитию шифрования и ранних форм радиоэлектронной борьбы. Разработаны первые экспериментальные радиоуправляемые беспилотные летательные аппараты (БПЛА) (смотри статью «Несколько слов о робототехнике»).

1945

Писатель-фантаст Артур Кларк публикует статью, в которой предлагает идею геостационарных спутников, транслирующих сигналы по планете для организации глобальной связи. Эта идея стала предтечей системы глобального спутникового позиционирования GPS.

1950-е

Начало массового производства полупроводниковых электронных компонентов (смотри статью «Что такое полупроводник?»). Телевидение стало повсеместным.

1957

Советский Союз запускает первый в мире искусственный спутник на орбиту, что послужило толчком к началу космической гонки между США и СССР. Схемотехника спутника была выполнена полностью на электронных вакуумных лампах.

1962

Начинает работать спутник Telstar. Он успешно ретранслирует телефонные звонки и телевизионные передачи по Земле.

1960–70-е

Радиолампы постепенно вытесняются из большинства потребительских электронных устройств и заменяются полупроводниковыми приборами. Разрабатываются мобильные телефонные системы в транспортных средствах, и первый беспроводной звонок на прототипе портативного мобильного телефона совершается руководителем Motorola Мартином Купером в 1973 году. Система GPS начинает работу в 1978 году.

1980-е

Motorola выпускает DynaTAC 8000K — первый коммерчески доступный сотовый телефон. Спутниковое телевидение становится популярным. GPS стал доступен для гражданского использования.

Начало 1990-х

Использование мобильных телефонов продолжает расти; начинают работать первые цифровые сети 2G. Разработан стандарт GSM. Первое SMS-сообщение со словами «Merry Christmas» было отправлено по сети Vodaphone в 1992 году. 1990-е была разработана технология Bluetooth.

Середина–конец 90-х

Создан радиоуправляемый разведывательный БПЛА с установленной на нём видеокамерой дальнего действия (смотри статью «Основы робототехники: одноплатные микрокомпьютеры»). Опубликована первая версия стандарта Wi-Fi (протокол IEEE 802.11). Спутниковая телефонная связь стала доступна буквально всем.

2000-е

Запускаются первые сети 3G, обеспечивающие высокоскоростной беспроводной доступ в Интернет и потоковую передачу видео. Популярными становятся различные портативные устройства с поддержкой Wi-Fi и 3G, такие как смартфоны и планшетные компьютеры и другие. Сети 4G становятся коммерчески доступными к 2009 году.

2010 - Н.В.

Скорость передачи данных в беспроводных сетях 4G перешагнули порог в 100 мегабит в секунду. «Интернет вещей» (IoT) перестаёт быть фантастикой и становится вполне доступным: многие устройства снабжаются беспроводными интерфейсами; массово внедряются системы «Умный дом» (Smart House). Малые БПЛА становятся доступными для личного и коммерческого использования.

2017–Б.В.

Сети 5G и повсеместное присутствие беспроводных сетей Wi-Fi обеспечивают постоянную высокоскоростную связь и передачу данных на запредельных скоростях. Появление беспилотных систем доставки грузов и полностью автономных беспилотных средств передвижения. Кажется, человечество уже не представляет жизнь без информационных технологий и беспроводной передачи информации с помощью радиоволн. Но самые впечатляющие открытия в этих областях ещё впереди...

Под радиочастотой подразумеваются радиоволны — электромагнитное излучение (ЭМИ), частота колебаний которого лежит в определённом диапазоне (РЧ-диапазоне).

Радиоволны — это разновидность ЭМИ, принадлежащая к тому же семейству, что и инфракрасное, видимое световое, ультрафиолетовое, рентгеновское и более коротковолновые. Все эти разновидности волн имеют определённую заданную частоту и, следовательно, длину волны. Радиоволны имеют самую большую длину волны и самую низкую частотность из всего семейства ЭМИ.

Наименование электромагнитное излучение говорит за себя. В его «состав» входит две составляющих: электрическая и магнитная. Таким образом, ЭМИ есть результат взаимодействия электрического и магнитного полей.

Переменный электрический ток, проходящий по проводнику (антенне), создаёт вокруг этого проводника электрическое поле, порождающее магнитное поле, которое вновь порождает электрическое и так далее. Так образуется электромагнитная волна, которая распространяется всё дальше и дальше от источника излучения в пространстве. Оба компонента ЭМ-волны (поля) ориентированы под прямым углом относительно друг к другу и вектора своего распространения.

В отличие от звуковых волн, распространение которых возможно только в среде (твёрдой, жидкой или газообразной), ЭМ-волны не нуждаются в среде распространения. Это свойство позволяет им распространяться даже в вакууме.

Теперь пару слов о поляризации радиоволн — то есть взаимному расположению электрической и магнитной волн относительно поверхности Земли. Если плоскость электрического поля параллельна поверхности Земли, то мы говорим о горизонтальной поляризации; если перпендикулярна — о вертикальной. Поляризация зависит от типа и конструкции излучающей антенны и определяет дальность и эффективность распространения радиоволн.

Скорость распространения радиочастоты и других видов излучений (в том числе видимого светового) невероятно велика. Округлённо это значение равно 300.000 километров в секунду. Эта скорость так велика, что мы склонны её игнорировать, ведь для того, чтобы радиоволна облетела вокруг нашей планеты, требуется всего 0.7 секунды!

Допустим, что частота нашего условного излучаемого сигнала составляет 30 мегагерц (в старой советской и американской литературе зачастую использовалось наименование «мегациклов»/«megacycles», вместо «мегагерц»). Тогда один цикл длится всего 1/30.000.000 секунды. За это время волна перемещается на расстояние 10 метров. В то же время (1/30.000.000 секунды) переменный электроток в нашем антенном проводнике совершит один период.

Электромагнитное поле в 10 метрах от нашей антенны будет вызвано током, который протекал на один период раньше; поле в 20 метрах вызвано током, протекавшим на два периода раньше, и так далее. Предположим, что переменный электроток, протекающий в антенном проводнике, совершает идентичные по длительности колебания (другими словами, с равными периодами). Тогда электрическое и магнитное поля, вызванные протеканием этого тока, также будут идентичны.

Они движутся на большое расстояние от антенны, становясь всё менее интенсивными, распределяясь по всё большему и большему объёму. А амплитуда колебаний этих полей уменьшается пропорционально расстоянию от излучающего антенного проводника. Но несмотря на уменьшение интенсивности и амплитуды, поля не теряют своей идентичности относительно момента, сгенерировавшего их колебания. Другими словами, они остаются в фазе независимо от расстояния от места излучения. В нашем примере 30 мегагерц на каждом интервале в 10 метров, измеренном от антенны в любой данный момент, фаза волны будет оставаться одинаковой.

Расстояние между парами точек, имеющих одинаковую фазу, представляет собой длину волны, сокращённо обозначаемую греческой буквой λ (лямбда). Длина волны рассчитывается по следующей формуле:

где c — скорость распространения электромагнитной волны (~300.000 километров в секунду); f — частота колебаний (Гц).

Частота и период колебаний являются обратно пропорциональными величинами:

где T — период колебаний (сек.).

Упомянутая выше интенсивность электрического и магнитного полей, более корректно именуемая напряжённость, является основной энергетической характеристикой и измеряется в вольт/метр (В/м.). Она численно равна разности потенциалов, возникающей на концах проводника длиной 1 метр, служащего в роли приёмной антенны.

Как и радиочастоты являются частью (диапазоном) всего спектра электромагнитных колебаний, так и сам РЧ-диапазон делится на множество поддиапазонов с уникальными свойствами, обуславливающими его практическое применение. Ниже будет представлена таблица наименований радиочастотных поддиапазонов, с указанием граничных частот и длин волн и физическими свойствами прохождения радиоволн данного диапазона и областью практического применения.

Кратко рассмотрим принципы и основные функциональные узлы, а также этапы преобразования информационного сигнала (ИС) в высокочастотный в передатчиках, и ВЧ-сигнала в информационный в приёмниках. Описанные принципы работы применимы как к простейшим вещательным приёмникам, так и современным беспроводным системам: Wi-Fi и другим.

Передатчик функционирует следующим образом. Низкочастотный ИС (аналоговый или цифровой) поступает на вход модулятора, куда также поступает высокочастотный сигнал со встроенного генератора несущей частоты. Модулятор обрабатывает их и на выходе выдаёт модулированный ВЧ-сигнал, в котором несущая высокочастотная составляющая содержит определённым образом закодированный низкочастотный ИС, пригодный для беспроводной передачи.

Передавать и принимать высокочастотный сигнал гораздо эффективнее, чем низкочастотный: требуется значительно меньшая мощность передатчиков и размер приёмопередающих антенн. ВЧ-генератор должен отличаться очень высокой стабильностью генерируемой частоты. По этой причине используются кварцевые генераторы или цифровые синтезаторы частоты.

Сигнал с модулятора поступает на вход усилителя мощности высокой частоты. Данный усилитель предназначен, как ясно из названия, для усиления мощности модулированного сигнала до уровня, достаточного для его эффективного излучения с помощью антенны. Антенна передатчика представляет собой устройство, преобразующее высокочастотный электрический ток в электромагнитные волны (и наоборот, в случае приёмника).

Приёмник функционирует следующим образом. Электромагнитные волны, излучённые передатчиком в антенне приёмника, преобразуются в высокочастотный электрический ток. Амплитуда этого тока крайне мала и перед преобразованиями его необходимо усилить. Ток поступает на вход усилителя высокой частоты. Усиленный высокочастотный сигнал поступает на вход смесителя, на вход которого также поступает ВЧ-сигнал со встроенного генератора — гетеродина.

Смеситель объединяет их таким образом, чтобы на выходе образовались сигналы, равные разности и сумме входящих. Смело можно предположить, что для этого частота гетеродина должна быть немного выше или немного ниже, чем у принятого антенной. Частотная разница между ними называется промежуточной частотой (ПЧ). У гетеродина генерируемая частота должна быть высокостабильной. Поэтому применяются генераторы кварца или цифровые частотные синтезаторы.

Далее сигнал ПЧ поступает на вход фильтра промежуточной частоты, который подавляет частоты, неравные значению выбранной в схемотехнике конкретного ПЧ-приёмника. После фильтра он подаётся на вход усилителя промежуточной частоты. После усиления он поступает на вход демодулятора, извлекающего ИС из высокочастотного ПЧ-сигнала.

Резонно возникает вопрос: почему нельзя сигнал с ВЧ-усилителя подать непосредственно на демодулятор? Ответ: можно. Именно так и происходило в примитивных старинных вещательных приёмниках прямого усиления. Но применение супергетеродинной схемотехники (то есть с использованием гетеродина и преобразованием высокочастотного сигнала к промежуточной частоте) чрезвычайно повышает чувствительность приёмника, другими словами, способность эффективно принимать ослабленный сигнал, а также избирательность (способность в перегруженном эфире принимать только необходимую, притом очень узкую частотную полосу).

Причиной тому служит принципиальная сложность или невозможность создания эффективных фильтров, способных работать в широком частотном диапазоне. Если принимаемые сигналы разных частот приводить к одной (к некоей промежуточной), то и схемотехника фильтра бывает проще и притом намного эффективнее. Для большего повышения качества приёма применимо двойное или тройное частотное преобразование.

Здесь будут представлены общие принципы разновидностей модуляции высокочастотного сигнала низкочастотным информационным. Она является базовым процессом преобразования в радиочастотных устройствах и играет важную роль в формировании общих качественных и количественных характеристик приёмопередающей радиочастотной техники, так как применение той или иной разновидности модуляции в конечном счёте определяет дальность передачи, качество и помехозащищённость, а также схемотехнику модулятора и демодулятора. Принципы, которые будут рассмотрены, применяются как в модуляторах, так и в демодуляторах, служащих для обратного модуляции преобразования.

Сигнал, будь он аналоговый или дискретный определяют три основополагающие характеристики:

Манипуляция с амплитудой, частотой или фазой позволяет вносить изменение в сигнал (в нашем случае высокочастотный), «пряча» в нём низкочастотный ИС, другими словами, модулируя его. Таким образом, существует три основных разновидности модуляции:

Ниже будут рассмотрены лишь эти три базовых разновидности. Применяемых на практике видов намного больше, но они либо являются подразновидностями амплитудной, частотной или фазовой модуляции, или являются составными (для примера, при квадратурной модуляции одновременно изменяется сигнальная амплитуда и фаза).

Амплитудная модуляция (Amplitude modulation, AM)

При ней фаза после модуляции изменяется в соответствии с законом изменения ИС:

Исторически она была самой первой ввиду простоты реализации как передатчика, так и приёмника. Это стало главным достоинством, поэтому она используется и сегодня. Основными недостатками являются сильная подверженность различного рода помехам, не позволяющая получить не более, чем удовлетворительное качество принимаемого сигнала, а также низкая энергоэффективность этого способа: 2/3 мощности передатчика расходуется на передачу не содержащего информации сигнала. Этот недостаток частично разрешён в однополосной амплитудной модуляции с подавленной одной из боковых полос, позволяющий снизить энергопотребление передатчика, но за счёт увеличения сложности схемотехники передатчика и приёмника.

Как на своей заре, так и сегодня амплитудная модуляция используется в радиовещании и любительской радиосвязи. При работе с дискретными (цифровыми) сигналам её называют амплитудная манипуляция (Amplitude Shift Keying, ASK).

Частотная модуляция (Frequency modulation, FM)

ИС после модуляции изменяется (в некоторых пределах) так:

Не всем известно, что надпись «FM» на шкале радиоприёмника обозначает не диапазон, а именно частотную модуляцию, хотя она используется в массовом радиовещании только в одном конкретном диапазоне частот — метровом (VHF). Она требует более сложной схемотехники как передатчика, так и приёмника, но компенсирует это высокой помехозащищённостью и качеством передаваемого, закодированного таким способом, сигнала.

Помимо упомянутого выше радиовещания, применяется в аналоговом телевидении, любительской и профессиональной радиосвязи и других областях. Применительно к дискретным (цифровым) сигналам она называется частотная манипуляция (Frequency Shift Keying, FSK).

Фазовая модуляция (Phase modulation, PM)

Фаза высокочастотного сигнала после модуляции изменяется так:

Сегодня именно фазовая модуляция является преимущественно используемой в различных системах передачи цифровой информации, таких как DBV, Wi-Fi, GSM и других. По совокупности достоинств и недостатков она близка к частотной, но ввиду сложности реализации в аналоговой технике и простоте — в цифровой, применяется в последней практически повсеместно. Имеет высокую помехозащищённость и дальность передачи, закодированного таким способом, сигнала. При обработке дискретных (цифровых) сигналов применяется термин фазовая манипуляция (Phase Shift Keying, PSK).