Контрольная работа по курсу «Автоматизированные системы управления и связь»

МЧС России

Санкт-Петербургский университет

Государственной противопожарной службы

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа по курсу

 «Автоматизированные системы управления и связь»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: Капралов Денис Александрович

Слушатель 4 курса 311 уч. гр. з.о.

№116 зачетной книжки

 

Проверил:______________________________

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург 2014

 

 

 

 

 

16. Структурная схема, назначение  элементов схемы и основные  электронные параметры радиопередатчика

 

Радиопередающие устройства является важным элементом систем связи различного назначения. В большинстве случаев масса, габариты, энергопотребление, надежность и срок службы радиосистем в первую очередь зависят от характеристик и параметров радиопередающих устройств.

Радиопередающие устройства предназначены для формирования колебаний несущей частоты, модуляции их по закону передаваемого сообщения и излучения полученного радиосигнала в пространство (или передачи его по физическим линиям связи). Его основными элементами являются радиопередатчик (или просто передатчик) и антенно-фидерное устройство (АФУ), содержащее кабель питания и передающую антенну (рис. 1).

Рис.1. Структура радиопередающего устройства.

 

Таким образом, радиопередатчик это устройство для формирования радиосигнала,  подлежащего излучению в пространство. В радиопередатчике генерируются электрические колебания высокой частоты, один из параметров которых (амплитуда,  частота, фаза) изменяется в соответствии с сигналом, подлежащим передаче. Усиленный модулированный радиосигнал подается в антенну и излучается ею в пространство в виде радиоволн. Передатчики классифицируют по различным признакам, основными из которых является назначение, диапазон рабочих частот, величина излучаемой мощности, вид модуляции сигналов, условия эксплуатации и др.

Назначение радиопередатчика определяется видом системы радиосвязи, в которой он используется, и связано с видом передаваемого сообщения. Поэтому в зависимости от назначения различают радиовещательные, телевизионные, связные, радиолокационные, навигационные, телеметрические и другие передатчики. Назначение передатчика определяет вид и параметра передаваемого сигнала, например, связные передатчики служат для передачи телефонных сигналов. Ширина спектра таких сигналов сравнительно не велика и составляет единицы килогерц. Именно такие радиопередатчики и будут рассматриваться в дальнейшем

В зависимости от диапазона рабочих частот передатчики делятся в соответствии с классификацией диапазонов радиоволн и частот. При этом различают, например, длинноволновые, средневолновые, коротковолновые и ультракоротковолновые радиопередатчики.

По средней мощности излучаемых радиосигналов различают передатчики очень малой (менее 3 Вт), малой (3...100 Вт), средней (0,1...10 кВт), большой (10...100 кВт) и сверхбольшой (более 100 кВт) мощности.

В зависимости от вида модуляции сигнала различают радиопередатчики с амплитудной, частотной, импульсно-кодовой и другими видами модуляции.

По условиям эксплуатации передатчики могут быть стационарными, бортовыми (космическими, корабельными, самолетными и автомобильными) и переносными (носимыми).

Независимо от того, в каком диапазоне частот работают радиопередающие устройства,  как они оформлены конструктивно и какую обеспечивают дальность связи, их передатчики выполняются по схеме, в которой реализуются следующие основные принципы радиопередачи: формирование радиочастотных колебаний, модуляция, усиление, излучение в пространство радиоволн. Эти три функции объединяются общим понятием - формирование сигнала, под которым понимается высокочастотное электрическое колебание, несущее информацию.

В качестве примера рассмотрим обобщенную структурную схему радиопередатчика системы радиотелефонной связи (рис.2.). В состав схемы радиопередатчика входят следующие основные элементы:

возбудитель (В), иногда называемый задающим генератором (ЗГ);

умножитель частоты (УЧ);

модулятор (М);

усилитель мощности (УМ);

усилитель низкой частоты (УНЧ), в ряде случаев называемый усилителем звуковой частоты (УЗЧ).

Рис. 2. Обобщенная структурная схема радиопередатчика.

 

Блок питания, устройство управления и другие вспомогательные элементы приемника для простоты на схеме не показаны. Возбудитель (задающий генератор) передатчика служит для формирования несущего колебания на одной из ряда строго фиксированных частотах.

При небольшом числе (сетке) рабочих частот возбудитель представляет собой набор генераторов гармонических колебаний, настроенных на различные частоты (рис.3).  .

Для перехода с одной частоты на другую, то есть для перестройки передатчика, используется специальный переключатель, например, электронный коммутатор.

Рис. 3. Структурная схема возбудителя передатчика.

 

В многочастотных широкодиапазонных передатчиках в качестве возбудителя используют синтезатор частоты. В состав простейшего аналогового синтезатора частоты (рис. 4.) входят кварцевый автогенератор, называемый опорным, управляемый делитель частоты с переменным коэффициентом деления и устройство автоматической подстройки частоты.

Основное требование к возбудителю - высокая стабильность частоты. Поэтому генераторы возбудителя строятся, как правило,  по схеме маломощного автогенератора с кварцевой стабилизацией частоты. Малая мощность генератора позволяет использовать при его разработке более высокочастотные полупроводниковые приборы, обладающие меньшей инерционностью, обеспечивает облегченный тепловой режим работы усилительного прибора и кварцевого резонатора, что повышает стабильность частоты.

Кварцевые автогенераторы, как известно, работают на сравнительно невысоких (сотни и более Герц) частотах. Поэтому после задающего генератора включают каскады умножителей частоты, которые повышают частоту колебаний до необходимого значения, то есть до величины несущей частоты.

Умножителем частоты называют устройство, преобразующее гармоническое колебание частоты f  в гармоническое колебание с частотой kf, где к – коэффициент умножения частоты – целое число.

Рис. 4. Структурная схема простейшего синтезатора частоты.

 

Маломощные умножители частоты строятся на основе нелинейных приборов с электрически управляемой емкостью, например, варакторов (варикапов) – полупроводниковых диодов с емкостью, зависящей от величины прикладываемого к диоду обратного напряжения.

Более мощные умножители частоты выполняют на транзисторах, работающих в режиме отсечки коллекторного тока. Это позволяет формировать напряжение,  спектр которого содержит ряд гармоник высших частот, кратных частоте входного колебания 2 f, 3 f, 4 f,… Выходной контур умножителя настраивают на одну из этих частот в зависимости от требуемого коэффициента умножения.

Для получения достаточно высокого КПД умножителя, коэффициент умножения частоты обычно выбирают равным 2…3, поэтому умножитель частоты радиопередатчика выполняют в виде цепочки последовательно включенных умножителей частоты. При этом  коэффициент умножения частоты блока умножителей будет равен произведению коэффициентов умножения отдельных каскадов.

Иногда в умножителях частоты осуществляется еще и усиление мощности выходного колебания. Для этого последовательно включенные умножители чередуют с усилителями настроенными на соответствующие частоты.

Известно, что колебания  звуковой частоты не могут распространяться в виде радиоволн на большие расстояния,  какой бы мощностью они не обладали.  Поэтому для передачи информации на большие расстояния необходимо использовать носитель. В качестве такого носителя применяются колебания высокой частоты с выхода умножителя частоты. Наложение на радиочастотные  колебания  сигнала  звуковой частоты микрофона, несущего полезную информацию, происходит в специальном устройстве передатчика, которое называется модулятором, а сам процесс наложения называется модуляцией. Для этого на первый вход модулятора подается высокочастотное несущее колебание, вырабатываемое возбудителем после умножителя частоты, а на второй – низкочастотный сигнал микрофона, содержащий передаваемую информацию и усиленный в УНЧ.

Для обеспечения требуемой мощности на выходе передатчика в схеме применяется усилитель мощности, содержащий несколько каскадов усиления. Помимо основной задачи усилитель мощности дополнительно выполняет функцию фильтрации выходного сигнала от различных вредных (паразитных) колебаний, которые возникают в умножителе частоты и модуляторе наряду с основным (полезным) сигналом. Выходной каскад усилителя мощности передатчика нагружен на фидер, соединенный с передающей антенной.

 

Как уже отмечалось ранее, модуляцией называется процесс управления одним или несколькими параметрами электрических колебаний в соответствии с законом передаваемого сообщения.

В радиосвязи такими колебаниями служат несущие колебания высокой частоты возбудителя передатчика. Закон изменения его параметров определяется сигналом низкой частоты, содержащего передаваемую информацию.

Модуляцию можно также рассматривать как процесс наложения одного колебания на другой.

В зависимости от изменяемого параметра несущего колебания различают амплитудную, частотную или фазовую модуляцию.

Рассмотрим сущность процесса модуляции. Возбудитель передатчика вырабатывает гармоническое колебание высокой частоты (рис. 5,а)

которое характеризуется тремя параметрами: амплитудой U0, частотой f0 и начальной фазой j0.

Такое колебание информации не содержит, но может быть использовано как ее носитель. Для передачи полезной информации его модулируют - изменяют амплитуду, частоту или фазу в соответствии с электрическим эквивалентом сигналов первичной информации - речи,  музыки, изображения, показаний датчиков системы телеизмерений и др.

В процессе амплитудной модуляции (АМ) под действием управляющего сигнала низкой частоты изменяется амплитуда радиочастотных колебаний, остальные параметры остаются неизменными

Для простоты в данном выражении начальная фаза принята равной нулю. При модуляции синусоидальным напряжением звуковой частоты Fу (рис. 5,б)

где U у - амплитуда модулирующего напряжения звуковой частоты, амплитудно-модулированный сигнал можно представить в виде

Преобразовав это выражение, получим

где коэффициент m, называемый коэффициентом модуляции, служит для оценки глубины амплитудной модуляции.

Преобразовав полученное выражение с учетом произведения косинусов, окончательно получим

Отсюда следует, что при модуляции несущего колебания синусоидальным напряжением звуковой частоты F (тоном), амплитудно-модулированный сигнал содержит три составляющих: колебание с частотой f0 и два колебания – с верхней f0+F и нижней f0 – F частотами, которые называются боковыми частотами.

При модуляции сложным сигналом, спектр которого лежит в пределах от Fmin до Fmax , АМ-сигнал состоит из колебаний несущей  частоты f0 и двух боковых полос. Каждая боковая полоса соответствует спектру управляющего сигнала в пределах от (f0 -Fmax)  до (f0 -Fmin) для нижней боковой полосы и в пределах (f0+Fmin) до (f0+Fmax) – для верхней.

Рис. 5. Процесс амплитудной модуляции:

а) – немодулированное синусоидальное колебание;

б) – модулирующий низкочастотный сигнал;

в) – амплитудно-модулированный сигнал

 

Таким образом,  при  модуляции  сложным сигналом звуковой частоты ширина спектра АМ-сигнала  составляет 2Fmax. При амплитудной модуляции полная мощность излучения

где Р0 -  мощность излучения в режиме молчания при отсутствии модуляции (m=O). Следовательно, при максимально допустимой глубине модуляции (m=1) мощность боковых составляющих, в которых содержится передаваемая информация, равна всего лишь трети излучаемой мощности, что является основным недостатком амплитудной модуляции.

Вторым недостатком АМ сигналов является сравнительно широкая полоса частот, занимаемая сигналом передатчика. Поэтому АМ сигналы используются в радиовещании при передаче звуковой информации, где можно занимать широкую полосу частот.

Третий недостаток состоит в том, что затруднена усилительных каскадов передатчика при работе с АМ сигналами, так как амплитуда сигнала принудительно изменяется в широких пределах.

Рис. 6. Спектры АМ-сигналов: а) – при модуляции синусоидальным напряжением; б) – при модуляции сложным сигналом.

 

Основным достоинством АМ сигналов является сравнительная простота практической реализации АМ радиопередатчиков.

При частотной модуляции в соответствии  с модулирующим сигналом изменяется частота колебаний радиосигнала, а его амплитуда остается постоянной.  При модуляции чистым тоном частотой F закон изменения частоты имеет вид

где Df - максимальное отклонение частоты от среднего  значения, называемое девиацией частоты.

Девиация Df  является одним из важнейших параметров ЧМ-сигналов. Она зависит от амплитуды модулирующего сигнала, и его частоты.

Выражение для ЧМ-сигнала  при  модуляции синусоидальным напряжением частотой F имеет вид

Отношение девиации  Df частоты  к частоте F модулирующего сигнала называют индексом частотной модуляции

При M<1 (узкополосная модуляция) ширина спектра ЧМ-сигнала составляет примерно  2Fmax. При M >>1 (широкополосная модуляция) ширина спектра равна примерно 2Df. Поскольку 2Df >>2Fmax, то ширина спектра получается большой,  что делает нерациональным применение широкополосной ЧМ в диапазонах ДВ, СВ и КВ. Широкополосная ЧМ применяется в диапазоне УКВ для высококачественного вещания. Узкополосную ЧМ применяют в служебной радиосвязи.

Важным преимуществом ЧМ по сравнению с АМ является постоянство амплитуды радиочастотных колебаний, что позволяет улучшить энергетические показатели канала связи за счет более полного использования мощности передатчика.

Фазовая модуляция – это изменение фазы несущего колебания по закону управляющего сигнала. ФМ сигналы в радиосвязи не используются и поэтому они в дальнейшем не рассматриваются.

 

3. ПАРАМЕТРЫ РАДИОПЕРЕДАТЧИКА

 

К числу основных параметров радиопередатчиков, характеризующих его технические показатели, относят:

 Диапазон рабочих частот – это интервал частот ∆f , в пределах которого радиопередатчик (возбудитель передатчика) может перестраиваться для формирования сигналов разных частот. Перестройка связных радиопередатчика в этом диапазоне осуществляется путем, как правило, дискретной, а иногда и плавной перестройки (рис. 1) . От диапазона рабочих частот зависят габариты передатчика, условия распространения радиоволн и дальность связи.

Рис.1. Диапазон рабочих частот радиопередатчика.

 

Число рабочих частот N (число частотных каналов) в пределах диапазона перестройки – число фиксированных частот, на которых может работать передатчик. В простейшем случае одночастотного передатчика N =1.

Шаг сетки рабочих частот ∆fк (частотный разнос между рабочими каналами) в заданном диапазоне перестройки

∆fк = ∆f/N,

где N >1.

Радиопередатчик может работать только на одной из рабочих частот. Недопустимо излучение передатчика не только вне диапазона рабочих частот, но и на частоте, отличной от фиксированных часты, например, между частотами f1 и f2 .

Выходная мощность передатчика – средняя мощность, которую  передатчик передает в антенну. Выходная мощность передатчика во многом определяет дальность радиосвязи.

Нестабильность частоты несущих колебаний – отклонение частоты колебаний от номинального значения под воздействием дестабилизирующих факторов. Различают абсолютную и относительную нестабильность.

Абсолютной нестабильностью частоты называется разность между частотой f излучаемого сигнала и ее номинальным значением fном.

Например, fном.  = 148,925 МГц, а радиопередающее устройство излучает в пространство сигнал на частоте 148.92595 МГц. В этом случае абсолютная нестабильность частоты передатчика равна

∆f = fном - f = |148.925 – 148.92595| = 0.00095 МГц = 0.95 кГц.

Относительной нестабильностью частоты называют отношение абсолютной нестабильности частоты к ее номинальному значению

δf  = ∆f / fном .

Для рассмотренного выше примера получим

δf  = 0.00095 / 148.925 =0.0000063 = 6.3·10 –7 .

Относительная нестабильность частоты современных радиопередатчиков обычно не превышает (2…3) · 10 –6 .

Коэффициент  полезного действия (КПД) - количественно КПД определяется как отношение средней выходной мощности Pвых к мощности, потребляемой от источника электропитания  Рпит

η = Pвых / Рпит .

Уровень паразитных (нежелательных) излучений. Излучаемые радиопередатчиком сигналы делят на основные (полезные) и неосновные (за пределами необходимой полосы частот).

Паразитные колебания, возникающие, как отмечалось выше,  в умножителе частоты и модуляторе наряду с основным (полезным) колебанием, несмотря на принимаемые меры, все же попадают в антенну и излучаются в пространство, как мешающие сигналы. Поэтому мощность паразитных излучений радиопередатчиков должна быть ограничена и находиться,  в допустимых пределах.

Кроме вышеперечисленных параметров, радиопередатчик может характеризоваться и рядом других параметров, которые будут рассмотрены позже по мере необходимости.

 

 

 

 

 

62 Организация части  связи (мастерских по ремонту  средств связи) в гарнизоне пожарной  охраны

 

Основным средством связи пожарных  подразделений  в  пути следования и на месте пожара являются радиостанции. В соответствии с организационной структурой и решаемыми задачами в пожарной охране используются комплексы радиосвязи, на основе которых строится система радиосвязи гарнизона пожарной охраны. Такие комплексы радиосвязи включает в себя стационарные,  возимые и носимые радиостанции.

Стационарные радиостанции устанавливаются в помещениях ЦУКС,  ЦПР, ПСО, ПСЧ. 

Возимые радиостанции устанавливаются на основных и специальных пожарных автомобилях.

 Носимые радиостанции  предназначены, в основном, для организации  связи на месте пожара, а также  используются в подразделениях  пожарной охраны,  занимающихся  профилактикой

До настоящего времени в подразделениях пожарной охраны широко используются радиостанции комплекса  "Виола".

Комплекс радиостанций «Виола» – это симплексная многоканальная система, обеспечивающая радиосвязь на любом из 40 каналов в полосе частот 1 МГц  в поддиапазонах 148 МГц (поддиапазон «А»), 172 МГц (поддиапазон «Б»), 171 МГц (поддиапазон «Х») с разносом по частоте между соседними каналами 25 кГц.

Дополнительно система радиосвязи «Виола» обеспечивает индивидуальный вызов абонентских радиостанций, циркулярный вызов центральных и абонентских радиостанций; полуавтоматическое сопряжение радиоабонентов с абонентами АТС; расширение зоны связи с помощью аппаратуры ретрансляции.

В состав системы входят:

• центральное оборудование «Виола-Ц»;
• абонентские радиостанции «Виола-А»;
• аппаратура ретрансляции «Виола-Л»;
• носимые радиостанции «Виола-Н».

  Радиостанция  "Виола-Ц" с мощным передатчиком и широкими  техническими возможностями предназначена  для  эксплуатации на ЦУС (ЦППС).

На пунктах связи частей устанавливаются абонентские стационарные радиостанции "Виола-АС",  на пожарных автомобилях  - абонентские возимые радиостанции "Виола-АА" и "Виола-АП". 

Носимые радиостанции "Виола-Н" используются при работе на  пожарах и рассматриваются ниже.

 

 

Радиостанция  "Виола-Ц" используется в пожарной охране для организации двусторонней симплексной УКВ радиосвязи центрального пункта пожарной связи со стационарными, возимыми и носимыми радиостанциями. Имеет в своем составе 40-канальный приемопередатчик (ПРМ/ПРД-40) и два одноканальных приемника.

Одноканальные радиоприемники служат для расширения зоны уверенной радиосвязи радиосети, в которой центральное оборудование «Виола-Ц» является главной радиостанцией.

В состав ПРМ/ПРД-40 входят: пульт управления (ПУ-М); приемник 40-канальный (ПРМ-40); передатчик 40-канальный (ПРД-40); антенно-фидерные устройства.

Приемник и передатчик могут быть установлены как раздельно, так и совместно. При совместной установке обеспечивается возможность работы на одну антенну. Управление приемником и передатчиком осуществляется с пульта управления по двухпроводной линии связи с сопротивлением шлейфа до 3 кОм (протяженностью до 10 км).

Приемопередатчик ПРМ/ПРД обеспечивает следующие технические возможности:

• режим одночастотного симплекса на любом из 40 каналов в одном из диапазонов частот (А,Б,Х);
• режим двухчастотного симплекса (приемник и передатчик работают на разных каналах в симплексном режиме);
• режим ретрансляции (обеспечивается автоматическая ретрансляция сигналов через ПРМ/ПРД-40 между двумя радиоабонентами, работающими в режиме двухчастотного симплекса с разносом частот не менее 500 кГц);
• режим разнесенного приема, в котором обеспечивается прием информации на ПУ-М от радиоприемника ПРМ-40 или одного из двух одноканальных приемников из комплекса одноканального оборудования;
• дистанционное управление и переключение на любой из 40 частотных каналов;
• формирование и передачу любого из 100 сигналов индивидуального вызова двухчастотным последовательным кодом;
• формирование и передачу сигналов циркулярного вызова А1 и А2 (тональный сигнал А1 частотой 2100 Гц – для вызова центральных радиостанций; А2 частотой 1450 Гц – абонентских и носимых радиостанций);
• прием тонального вызова А1;
• передачу и прием речевых сигналов;
• автоматический переход радиостанции на время 7-12 с из режима «Дежурный прием» в режим «Прием» после принятия тонального вызова А1 и возвращение по истечении указанного времени в исходный режим;
• полуавтоматическое сопряжение радиоабонента с абонентом АТС и контроль сопряжения.

ПРМ-40 и ПРД-40 с антеннами являются стационарными необслуживаемыми устройствами. В качестве антенн  используются антенные устройства с волновым сопротивлением 75 Ом.

 

Основные технические характеристики:

1. ПРМ/ПРД-40 обеспечивает работу  в диапазонах А, Б, Х в режимах:

одночастотного симплекса на любом из 40 каналов;

двухчастотного симплекса на любых двух из 40 каналов;

ретрансляции при разносе каналов приема и передачи не менее 500 кГц на любых двух из 40 каналов.

2. Разнос частот между каналами 25 кГц.

4. Чувствительность ПРМ-40 при соотношении  сигнал/шум 12 дБ  не более 0,5 мкВ.

7. Выходная мощность ПРД-40 не  менее:

30 Вт - в режиме "30 Вт";

10 Вт - в режиме "10 Вт".

9. ПРМ/ПРД-40 обеспечивает передачу:

тонального вызова А1 на частоте (2100±5) Гц;

тонального вызова А2 на частоте (1450±5) Гц;

индивидуального тонального вызова Ai (до 100 вариантов) из двух последовательных частотных посылок.

10. ПРМ/ПРД-40 при приеме тонального  вызова А1 обеспечивает автоматическое  переключение из режима "Дежурный  прием" в режим "Прием", а  также включение световой индикации  на 7 - 12 с и включение звуковой  сигнализации на время действия  вызова А1.

11. Передача информации осуществляется  через выносной микрофон или  микротелефонную трубку МТ-40.

12. ПРМ/ПРД-40 работает при питании  от сети переменного тока напряжением (220±22) В н частотой 50 Гц, при этом  возможен автоматический переход  на резервное питание напряжением +(24±3,4) В.

13. Входное сопротивление антенного  устройства  75 Ом.

Предусмотрены следующие виды работ, которые осуществляется дистанционно с ПУ-М по двухпроводным соединительным линиям сопротивлением шлейфа до 3 кОм:

включение, переключение с канала на канал и выключение;

перевод в различные режимы работы:

"Дежурный прием", "Прием", "Передача", Вкл. ШП" и "Выкл. ШП"

 

Абонентские радиостанции «Виола-А»

Группа абонентских радиостанций «Виола-А» включает следующие типы радиостанций:

• стационарную радиостанцию «Виола-АС» (рис. 1);
• автомобильную радиостанцию «Виола-АА» (рис.2 );
• специальную автомобильную радиостанцию «Виола-АО» (рис.3);
• мотоциклетную радиостанцию «Виола-АМ» (рис.4);
• радиостанцию для установки на пожарных автомобилях «Виола-АП»

 

Рис.1. комплект радиостанции «Виола-АС»: 1 - громкоговоритель с усилителем звуковой частоты; 2 - сетевой блок питания; 3 – антенна типа «Стакан»; 4 – блок микротелефона; 5 – приемопередатчик

 

Рис.2. Действующий комплект радиостанции «Виола-АА»:

1- приемопередатчик; 2 - громкоговоритель  с усилителем звуковой частоты; 3 – антенна; 4 – блок микротелефона; 5 – кабель питания.

Рис.3. Действующий комплект радиостанции «Виола-АО»: 1 - приемопередатчик; 2 - кабель питания; 3 – антенна; 4 – манипулятор; 5 – громкоговоритель с усилителем звуковой частоты; 6 – микрофон; 7 – пульт управления