Основы схемотехники радиочастотных систем. Часть 1

Основы схемотехники радиочастотных систем. Часть 1

использование радиочастот

В далёкие двадцатые годы XX века, то есть, столетие назад, только научились использовать радиоволны для беспроводной связи.

Тогда в ходу был примитивный, в старой литературе называемый «беспроволочный», телеграф, и то лишь только там, где проводное соединение было невозможным. Например, при организации связи с морскими и океаническими судами.

Эфирное радиовещание имелось лишь у развитых государств, а до первых попыток передачи изображения без проводов, то есть телевидения, оставалось ещё целых 20 лет. Такая область знаний как беспроводная трансляция информации была ещё слабо изучена, а устройства, использующие энергию радиоволн для её передачи и приёма, широкому кругу людей были практически неизвестны.

Но такой науке как электроника не свойственно стоять на месте и за сотню лет она «приручила» радиоволны и стала использовать их в широком круге практических применений. Если радиоастрономия, радиолокация и радионавигация, а также использование свойств и энергии радиоволн, к примеру, в медицинских целях для большинства людей остаются сложными и непонятными «вещами», то эфирное радиовещание и телевидение, радиосвязь, мобильная связь и беспроводной доступ к компьютерной сети — это есть всё то, с чем сейчас человек взаимодействует каждый день.

Сегодня каждый владеет устройствами, базирующимися на радиочастотной схемотехнике — другими словами, формирующими, передающими, принимающими и обрабатывающими сигналы высокой частоты радиочастотного диапазона или, проще, радиочастоты. Массовое проектирование и производство, создавшее обилие недорогих (и дорогих, конечно же) радиочастотных устройств в наших руках стало возможным благодаря современным методам их разработки, отладки и изготовления.

Актуальный и распространённый метод — компьютерное моделирование на всех этапах проектирования: моделируется поведение отдельных электронных компонентов, их функциональной совокупности — схемы в целом, а также печатной платы, которая в РЧ-устройствах является архиважной частью, ведь от неё зависит если не всё, то многое. Также фактором, популяризировавшим их, стал широкий спектр различной отладочной аппаратуры: генераторов высокой частоты, осциллографов, анализаторов спектра, упростивших работу схемотехникам-«высокочастотникам».

Данная статья имеет цель познакомить читателя с основами радиочастотной схемотехники: представить небольшой исторический экскурс и показать, как всё начиналось; дать базовые знания о радиочастоте и осветить ключевые понятия и принципы работы; а также сделать обзор современного оборудования и методов проектирования и отладки. В ней будет дано определение радиочастоты и её частотных диапазонов, кратко описано, как развивалась радиочастотная схемотехника, представлены общие фундаментальные принципы функционирования РЧ-устройств. даже незаменимы как в быту, так и на производстве.

Время чтения: 34 минуты

Радиочастотная схемотехника? Это очень просто!
эфирный радиоприемник
Популярный и известный представитель радиочастотной схемотехники — транзисторный эфирный радиоприёмник, который часто называли просто «транзистор»

История развития радиочастотной схемотехники

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.

когерер
Устройство когерера. Изначально металлические опилки имеют низкую проводимость. Но при прохождении через них РЧ-сигнала она увеличивается и сохраняется до момента встряхивания устройства.

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.

Диод Флеминга
"Лампы Флеминга"

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.

кварцевые резонаторы частоты
Набор сменных кварцевых резонаторов от советской радиостанции 50-х годов

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.

спутник 1 первый искусственный спутник земли
Спутник стал настоящим прорывом как в освоении космоса, так и в развитии радиочастотной техники

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.

1973 первый мобильный телефон
Прототип первого мобильного телефона Motorola DynaTAC

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...

беспилотные доставки
Беспилотный грузовик Volvo

Определение радиочастоты и её диапазоны

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.

Разновидность излучения Частота
(герц (Гц), гигагерц (ГГц), терагерц (ТГц)
Длина волны
(километров (км.), миллиметров (мм.), ангстрем (Å)
Радиочастотное 3 Гц ÷ 300 ГГц 30000 км. ÷ 1 мм.
Инфракрасное 300 ГГц ÷ 400 ТГц 1 мм. ÷ 8000 Å
Видимое световое 400 ТГц ÷ 800 ТГц 8000 Å ÷ 4000 Å
Ультрафиолетовое 800 ТГц ÷ 3 x 105 ТГц 4000 Å ÷ 10 Å
Рентгеновское и более коротковолновые 3 x 105 ТГц и более 10 Å и менее
Единица сверхмалых длин и расстояний ангстрем Å = 10-10 м.

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.

поляризация радиоволн
Взаимодействие составляющих электрического и магнитного полей в электромагнитной волне. На рисунке плоскость YZ условно — источник излучения (антенной); ось X — вектор распространения

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.


колебания электрического поля
Независимо от расстояния от источника излучения период, следовательно, и частота колебаний будут оставаться неизменными

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

длина волны и частота формула

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

Частота и период колебаний являются обратно пропорциональными величинами:

вычисление частоты колебаний

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.

Наименование поддиапазона волн/частот Международное обозначение Частота
(герц (Гц), килогерц (кГц), мегагерц (МГц), гигагерц (ГГц)
Длина волны
(километров (км.), метров (м.), сантиметров (см.), миллиметров (мм.)
Свойства и область применения
Декамегаметровые / крайне низкие (КНЧ) ELF 3 ÷ 30 Гц 100 000 км. ÷ 10 000 км. Радиоволны легко огибают планету, слабо поглощаются земной поверхностью, в том числе хорошо проникают вглубь морей и океанов. От ионосферы полностью отражаются. Применяются при физических исследованиях, а также для связи с подводными судами. Ввиду необходимости использования антенн колоссальных размеров и крайней неэффективности применение данных радиоволн серьёзно ограничено.
Мегаметровые/сверхнизкие (СНЧ) SLF 30 ÷ 300 Гц 10 000 км. ÷ 1000 км
Гектокилометровые / инфранизкие (ИНЧ) ULF 300 ÷ 3 кГц 1000 км. ÷ 100 км. Радиоволны имеют хорошую проникающую способность в толщу слоя земли. Нужны для связи с подземными объектами, а также при геологических и сейсмических научных исследованиях.
Мириаметровые / очень низкие (ОНЧ) VLF 3 ÷ 30 кГц 100 км. ÷ 10 км. Как и другие низкочастотные радиоволны, мириаметровые волны легко огибают планету, в том числе крупные естественные преграды, такие как горные массивы. От ионосферы полностью отражаются. Также хорошо проникают в толщу вод и применяются для эффективной связи с подводными судами, хоть и при частичной потере максимальной глубины проникновения. Также применяются в некоторых видах радионавигации и службой точного времени.
Километровые/Низкие (НЧ) LF 30 ÷ 300 кГц 10 км. ÷ 1 км. Радиоволны имеют низкое затухание при передаче и отлично подходят для дальней радиосвязи. Используются как в радиовещании, так и в специальных видах связи, в том числе военного назначения, а также службой точного времени.
Гектометровые / средние (СЧ) MF 300 ÷ 3 МГц 1000 м. ÷ 100 м. Радиоволны легко огибают поверхность планеты, но имеют сильное затухание в толщах гор, морей и океанов. Имеют неплохую дальность (сотни километров), ввиду лёгкости распространения в волноводе «ионосфера-поверхность». Применяется в радиовещании, радиосвязи и разных специальных сферах: организации безопасности мореплавания и других.
Декаметровые / высокие (ВЧ) HF 3 ÷ 30 МГц 100 м. ÷ 10 м. Радиоволны имеют отличную отражательную способность как от ионосферы, так и от поверхности планеты. Этим обуславливается колоссальная дальность распространения при очень небольшой мощности передающей аппаратуры. Имеют сильную зависимость распространения от множества природных факторов: время года, время суток, погода, солнечная активность, состояние ионосферы и так далее. Применяются в дальней любительской и профессиональной радиосвязи.
Метровые / очень высокие (ОВЧ) VHF 30 ÷ 300 МГц 10 м. ÷ 1 м. Распространяются только в прямой видимости. Применяются для передачи аналогового и цифрового телевещания и в профессиональной радиосвязи.
Дециметровые / ультравысокие (УВЧ) UHF 300 ÷ 3 ГГц 1 м. ÷ 10 см. Распространяются только в прямой видимости. Хорошо проникают через стены зданий, но в то же время из-за отражения и дифракции от зданий, деревьев и сопоставимых по размерам объектов имеют различную дальность распространения в конкретном месте. Применяются практически во всех современных видах цифровой радиосвязи, такой как сотовая связь, системы глобальной спутниковой навигации, Wi-Fi, Bluetooth и множестве других.
Сантиметровые / сверхвысокие (СВЧ) SHF 3 ÷ 30 ГГц 10 см ÷ 10 мм. Отлично проникают через ионосферу, а благодаря малой длине волны могут быть направлены в виде узкого луча. Применяются в высокоэффективных видах связи, в том числе с объектами в космическом пространстве. Сгенерированные с помощью особой радиолампы — магнетрона, сантиметровые радиоволны используются в микроволновых печах для разогрева пищи.
Миллиметровые / крайне высокие (КВЧ) EHF 30 ÷ 300 ГГц 10 мм. ÷ 1 мм. Распространяются только в прямой видимости и начинают проявлять некоторые свойства видимого светового излучения. Имеют сильное затухание при сложных погодных условиях. Но благодаря малой длине волны применяются в радиолокации и радиоастрономии, в современных высокоскоростных системах передачи данных, а также в медицине.

Основные узлы радиочастотной схемотехники

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.

Устройство передатчика

устройство работы передатчика
Функциональная схема передатчика

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).

Устройство приёмника

функции приемника
Функциональная схема 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.

Разновидности модуляции и общий принцип работы

схема простого радиоприемника
Принципиальная схема простейшего детекторного радиоприёмника. Такое «радио» способно принимать исключительно радиоволны, модулированные с помощью амплитудной модуляции. Частотная и тем более фазовая модуляция требует применения несравнимо более сложной схемотехники приёмопередающей техники

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:

  • Амплитуда — максимальное значение напряжения, которое принимает сигнал;
  • Частота — количество периодов колебаний в секунду;
  • Фаза — состояние, определяющее начальное положение периода колебаний;

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:

  • Амплитудная
  • Частотная
  • Фазовая

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:

модуляция амплитуды
Амплитудная модуляция

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:

частота модуляции сигналов
Частотная модуляция

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:

фаза модуляции
Фазовая модуляция

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).

Читайте продолжение статьи во второй части, которая выйдет в ближайшее время!

Радиочастотную схемотехнику по праву считают интереснейшей областью электроники. Радиочастотная схемотехника просто преизобилует информацией, методами и решениями. Недаром этой области посвящают огромные труды, толстые книги и бесчисленное число статей за последние сто лет: РЧ-схемотехника стояла у истоков электроники в принципе и за долгое время накопила огромный опыт, которым с радостью делится с другими областями электроники. К примеру с цифровой электроникой, с которой они создали тандем, дающий на беспроводную связь и доступ в Интернет в любой части мира.

Количество показов: 189
25.09.2024
Понравилась статья? Поделитесь ей в ваших социальных сетях:

Возврат к списку