Теория электрической связи

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт – Петербургский государственный университет телекоммуникаций им.проф. М.А. Бонч-Бруевича

Колледж телекоммуникаций

 

 

«Теория электрической связи»

 

 

Методическое пособие для студентов, обучающихся по укрупненной группе специальностей 210000 «Электронная техника, радиотехника и связь»

Среднее профессиональное образование (базовый уровень)

Санкт-Петербург

СОДЕРЖАНИЕ

1. Основные определения

2. Сигналы электросвязи и их спектры

2.1 Виды сигналов электросвязи

2.2 Примеры сигналов электросвязи

2.3 Способы представления сигналов электросвязи

3. Виды телекоммуникаций (виды электросвязи)

4. Виды линий связи

5. Многоканальные системы передачи

6. Модуляция и детектирование

6.1 Амплитудная модуляция

6.2 Частотная модуляция

6.3 Фазовая модуляция

6.4 Детектирование (демодуляция)

7. Генерирование колебаний

7.1 Обобщенная структурная схема автогенератора

7.2 Условия самовозбуждения автогенераторов

7.3 Режимы самовозбуждения

7.4 Автогенераторы типа LC

7.5 Автогенераторы типа RC

8. Электрические фильтры

8.1 Классификация электрических фильтров

8.2 Пассивные LC-фильтры

8.3 Пассивные и активные RC-фильтры

9. Нелинейные цепи, их характеристики и свойства

9.1 Классификация электрических цепей

9.2 Свойства нелинейных электрических цепей

9.3 Аппроксимация характеристик нелинейных элементов

9.4 Методы анализа спектра отклика нелинейного элемента

 


Основные определения

Сообщение -форма представления информации для её передачи, хранения и обработки. Например, информация может быть представлена в форме текста, устной… Сигнал – материальный носитель сообщения. Электрический сигнал – изменения… Система электросвязи – совокупность технических средств, необходимых для передачи сообщений от отправителей к…

Сигналы электросвязи и их спектры

Виды сигналов электросвязи

Простые – сигналы синусоидальной (или косинусоидальной) формы – гармонические. Все остальные сигналы являются сложными, т.к. содержат несколько гармоник –… различных частот.

Примеры сигналов электросвязи

Телефонные и вещательные сигналы

Электрический сигнал, полученный путем преобразования создаваемого при устной речи звукового давления, называется речевым или телефонным (рис.3).

Диапазон частот 20 - 20000 Гц.

Признаки телефонных сигналов:

1. непрерывные во времени;

2. мгновенные значения могут принимать любую величину в диапазоне от min до max.

Эти сигналы называют непрерывными или аналоговыми. К ним также относятся сигналы при передаче музыки, пения, шумовых эффектов, изменения температуры, давления.

 

Рис.3 Телефонный или

вещательный сигнал

Телевизионные сигналы

В современном телевидении применяют метод поочередной передачи сигналов от отдельных элементов изображения. Они располагаются на строках и поочередно преобразуются в электрический сигнал. Он представляет собой последовательность очень коротких импульсов разного уровня. Если вершины отдельных импульсов соединить прямой линией получится относительно плавно меняющийся график (рис.4).

Свойства телевизионного сигнала.

– относится к непрерывным, т.к. в любой момент может принять значение от min до max.

– изменяется много быстрее чем телефонный или сигнал вещания.

Динамический диапазон определяется заданными уровнями белого и черного цветов.

 

 

 


рис.1.5.

Сигналы для передачи буквенР Р Рис. 4 Телевизионный сигнал

 

Телеграфные сигналы для передачи буквенно-цифровых текстов

 

 

 

 

Рис. 5 Цифровой сигнал

 

Специфические свойства:

– может принимать лишь два значения +h и -h, поэтому их называют дискретными;

– значение сигнала на каждом интервале времени длительностью постоянно,

- длительность элементарной (телеграфной) посылки.

– значения сигнала могут изменяться лишь в заранее определенные тактовые моменты

t1, t2, …

– непредсказуемость следующих значений.

Такими же свойствами обладают сигналы передачи данных (цифровые сигналы). Они тоже относятся к категории дискретных.

 

Способы представления сигналов

Спектральные диаграммы (рис.2.3, 3.5, 3.6б) Математические модели Векторные диаграммы

Многоканальные системы передачи

На рис.8 приведена структурная схема системы связи с частотным разделением каналов. Принятые обозначения: ПП - первичный преобразователь - преобразует сообщение в электрический сигнал. Примеры ПП: микрофон, передающая ТВ…

Модуляция и ДЕТЕКТИРОВАНИЕ

Принцип детектирования – процесс выделения модулирующего сигнала из модулированного колебания. Он является обратным процессу модуляции, поэтому…   Несущее - высокочастотное гармоническое колебание S(t)=Umsin(ωot + φ)

Амплитудная модуляция

Пусть модулирующим сигналом является гармоническое колебание низкой частоты Ω: U(t)=UmusinΩt В качестве несущего - высокочастотное гармоническое колебание:

Рис. 13. Спектральные диаграммы модулирующего непериодического

Сигнала а), и модулированного сигнала б).

Однополосная амплитудная модуляция

а) При модуляции гармоническим сигналом б) При модулирующем сложном сигнале Рис.14. Модулированный сигнал с одной боковой полосой - ОБП

Контрольные вопросы

1. Дать определение амплитудной модуляции

2. Записать математическую модель АМ сигнала, если fнес= 550 кГц; Fc = 3 кГц;

амплитуда несущего сигнала Um нес = 4 В; амплитуда первичного сигнала Umс = 1 В.

Коэффициент пропорциональности аам =1.

3. Построить временную диаграмму АМ сигнала при коэффициенте глубины модуляции

m = 0,5

4.Построить спектральную диаграмму АМ сигнала, если fнес= 800 кГц; Fc = 5 кГц.

Определить ширину спектра.

5.Построить спектральную диаграмму АМ сигнала, если fнес= 1 МГц; модулирующий

сигнал имеет спектр 1 - 10 кГц. Определить ширину спектра АМ сигнала.

6.Объяснить почему из спектра АМ сигнала может быть изъята одна из боковых полос?

7. Объяснить почему в спектре АМ сигнала можно подавить несущую?

 

Частотная модуляция

 

Математическая модель частотно – модулированного (ЧМ) сигнала

Δω(t) =αчм UmsinΩt, αчм- коэффициент пропорциональности. Опустив промежуточные преобразования, конечное выражение для ЧМ сигнала,… (6.1)

Спектральные диаграммы

Спектр ЧМ сигнала значительно сложней спектра АМ сигнала. В математической модели ЧМ-сигнала Sчм(t)=Umsin(ωot - М cosΩt + ψ) аргумент синуса представим в виде разности двух величин: (ωot + Ψ) и М cosΩt. Обратившись к математике,…

Ширина спектра ЧМ-сигнала

Если модулирующим сигналом является скачкообразно изменяющийся, получают частотную манипуляцию. При этом амплитуда частотно-манипулированного… Контрольные вопросы 1.Дать определение частотной модуляции

Контрольные вопросы

1. Дать определение фазовой модуляции

2. От чего зависит девиация частоты при ФМ?

3. От чего зависит индекс модуляции при ФМ?

4. От чего зависит ширина спектра при ФМ?

5. Как связаны изменения фазы и изменения частоты при ФМ?

 

Детектирование (демодуляция)

Принцип детектирования – процесс выделения модулирующего сигнала из модулированного колебания. Он является обратным процессу модуляции, поэтому называется демодуляцией.

На входе амплитудного детектора в спектре АМ сигнала присутствуют частоты ωo,

(ωo + Ω) и (ωo – Ω), а на выходе должен быть передаваемый сигнал с частотой Ω. Следовательно, амплитудный детектор должен содержать нелинейную цепь (диод - VD) для создания новых спектральных составляющих, среди которых должна быть составляющая с низкой частотой Ω, выделяемая затем с помощью фильтра RC.

Рис.19 Схема простейшего амплитудного детектора на диоде

Диод обладает односторонней проводимостью, поэтому пропускает только положительные полупериоды входного сигнала. В отрицательные полупериоды диод закрыт. Спектр такого однополупериодного сигнала с изменяющейся амплитудой содержит и НЧ и ВЧ гармоники.

Элементы ФНЧ RC подбираются так, чтобы для ВЧ гармоник конденсатор представлял очень малое сопротивление ; для НЧ гармоник – очень большое сопротивление .

Тогда НЧ гармоники создают падение напряжения на выходе Uвых = UНЧ, пропорциональное огибающей АМ сигнала.

 

 

ГЕНЕРИРОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ.

Автогенераторы (АГ) – это устройства, вырабатывающие колебания определенной величины, частоты и формы самостоятельно, т.е. без внешних… Автогенераторы синусоидальных колебаний должны обеспечивать стабильность…  

К = КУС · КОС = UmВЫХ · UmВХ / UmВХ · UmВЫХ = 1

Это есть условие баланса амплитуд: в стационарном режиме коэффициент передачи по замкнутому кольцу генератора равен единице.

Коэффициент обратной связи: КОС = 1 / КУС

При условии КОС > 1 / КУС амплитуда колебаний на входе автогенератора нарастает. Если КОС < 1 / КУС, колебания затухают.

Условие баланса амплитуд определяет с одной стороны стационарную амплитуду выходных колебаний, а с другой – наименьший коэффициент передачи цепи ОС, обеспечивающий самовозбуждение. Он называется критическим КОС.КР. Надежное самовозбуждение возможно только при КОС > КОС.КР.

Баланс амплитуд: напряжение, подаваемое с выхода усилительного элемента на его вход по цепи обратной связи, должно совпадать по амплитуде с входным напряжением.

 

Условие фаз

Условие баланса фаз предполагает, что суммарный угол сдвига фаз при обходе замкнутого кольца автогенератора должен быть равен нулю или четному числу 2П (360º).

Усилительный элемент обеспечивает сдвиг фаз на 180º. Следовательно, цепь обратной связи должна изменять фазу подводимого к ней напряжения тоже на 180º.

Обычно условие баланса фаз выполняется для одной частоты.

Баланс фаз: напряжение, подаваемое с выхода усилительного элемента на его вход по цепи обратной связи, должно совпадать по фазе с входным напряжением.

 

 

Режимы самовозбуждения.

В зависимости от значений постоянных напряжений на электродах усилительного элемента (от режима работы) и коэффициента обратной связи КОС возможны два режима самовозбуждения: мягкий и жесткий.

Режим мягкого самовозбуждения(рис. 21, а)

В этом режиме рабочую точку А выбирают на линейном участке вольт-амперной характеристики нелинейного элемента. В этих условиях самовозбуждение возникает от самых незначительных изменений входного напряжения (носителей заряда).

 

 

 

Рис. 21. Графики, поясняющие работу АГ в режиме а) мягкого самовозбуждения

б) жесткого самовозбуждения

 

Сначала колебания нарастают быстро, затем из-за нелинейности ВАХ рост амплитуды колебаний замедляется. Когда коэффициент передачи уменьшится до единицы (К = 1), нарастание колебаний прекратится, установится стационарный режим с углом отсечки

Q > 90°. Частота колебаний близка к резонансной частоте колебательной системы.

Чем выше добротность колебательного контура - нагрузки АГ (Q = 50 ¸ 200), тем ближе форма выходных колебаний к гармонической.

Режим жесткого самовозбуждения(рис. 21, б)

При этом режиме напряжение смещения U0 таково, что при малых амплитудах входного напряжения, тока через нелинейный элемент нет. Колебания возникают лишь при достаточно большой начальной амплитуде, что не всегда возможно обеспечить. Угол отсечки здесь < 90º.

 

Более удобен для эксплуатации режим мягкого самовозбуждения, т.к. колебания возникают сразу после включения источника питания. Жесткий режим отличается более высоким КПД. Применение цепи автоматического смещения обеспечивает возможность работы автогенератора при первоначальном включении в режиме мягкого самовозбуждения с последующим автоматическим переходом в режим жестокого самовозбуждения. Такой режим работы называется комбинированным.

Контрольные вопросы

1. Дать определение понятию «автогенератор».

2. Пояснить назначения каждого устройства на обобщенной структурной схеме АГ

  1. Каково назначение цепи обратной связи и какой вид обратной связи используется в автогенераторах?

4. Назвать условия самовозбуждения генераторов.

5. Дать аналитическую запись условий самовозбуждения генераторов.

6. Как обеспечивается в АГ мягкий режим самовозбуждения?

7. Как обеспечивается в АГ жесткий режим самовозбуждения?

8. Указать достоинства и недостатки мягкого и жесткого режимов самовозбуждения.

9. Когда режим работы АГ называется комбинированным?

Автогенераторы типа LC

Рис. 22 LC-генератор с трансформаторной обратной связью При включении питания в схеме рис. 22 начинаются переходные процессы, в… Затем генератор переходит в стационарный режим, т.е. рост амплитуды прекращается. Это происходит из-за перехода режима…

Контрольные вопросы

 

  1. Объяснить физический процесс самовозбуждения в LC-генераторе с трансформаторной ПОС.
  2. Как в LC-генераторе с трансформаторной ОС обеспечиваются баланс фаз и баланс амплитуд?
  3. Какой режим самовозбуждения называется мягким? Какой - жестким?
  4. Как обеспечивается комбинированный режим работы АГ? Назвать его достоинства.
  5. Перечислите меры, обеспечивающие получение колебаний синусоидальной формы.

6. Какие существуют виды трехточечных схем АГ?

7. Колебательный контур какой из трехточечных схем АГ (с емкостной или индуктивной ОС) обладает лучшей избирательностью?

Автогенераторы типа RC

В схемах RC-генераторов вместо колебательного контура в качестве избирательного устройства используют частотные электрические фильтры RC.

RC-генераторы генерируют частоты от долей герца до сотен килогерц и имеют малые массу и габариты, в то время как LC автогенераторы в диапазоне низких частот (меньше 15–20кГц) очень громоздкие.

 

Автогенераторы типа RC с фазосдвигающими цепочками

Условие баланса фаз выполняется, если в цепи ПОС (положительной ОС) содержится фазосдвигающая цепь, обеспечивающая фазовый сдвиг 180º. Для…   а) б)

Контрольные вопросы

1. Какие устройства обязательно должны присутствовать в схеме автогенератора?

2. Дать аналитическую запись условий самовозбуждения генераторов.

3. В какой области частот работают LC и RC генераторы?

4. Перечислите меры, обеспечивающие получение колебаний синусоидальной формы в АГ типа RC.

5. С какой целью в схемах RC генераторов используется мост Вина?

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ

Электрические фильтры – четырехполюсники, предназначенные для изменения частотного состава сигнала. Они обладают в некоторой области частот малым… Параметры элементов, из которых они составлены: индуктивности, емкости,… Основные параметры и характеристики фильтров

Контрольные вопросы и задания

1. Какие устройства называются электрическими фильтрами?

2. Каким должно быть затухание в полосе пропускания фильтра? В полосе задерживания?

3. Как называется частота, находящаяся на границе полос пропускания и задерживания?

4. Затухание - ослабление фильтра в полосе пропускания А = 7 дБ, напряжение на входе U1 = 9 В. Определить величину напряжения на выходе фильтра.

5. Какие схемы фильтров являются симметричными? Какие - несимметричными?

 

Пассивные LC - фильтры

Фильтры нижних частот

Назначение фильтров нижних частот - пропустить в нагрузку постоянную составляющую и низкие частоты, для высоких частот должно быть обеспечено значительное ослабление.

Работа фильтра обеспечивается зависимостью реактивных сопротивлений от частоты (рис. 33).

 

 

 

Рис. 33 Схема фильтра нижних частот

 

Индуктивное сопротивление имеет минимальное сопротивление на постоянном токе (f=0, XL=0) и линейно растет с ростом частоты f.

Емкостное сопротивление на постоянном токе разрывает цепь (f=0, XC = ) и стремиться к нулю с ростом частоты.

Поэтому у фильтра без потерь на низких частотах из-за малых значений XL и большого XC, коэффициент передачи будет близок к единице, а затухание - мало (область прозрачности фильтра). С ростом частоты XL - растет, XC - уменьшается; коэффициент передачи - падает.

Характеристика ослабления для ФНЧ (рис. 34):

 

рис. 34 Характеристика ослабления для ФНЧ

 

У реального фильтра с потерями в области прозрачности ослабление не равно нулю. На частоте, называемой частой среза ωCP, которая рассчитывается как резонансная частота,

, ослабление составляет 3дБ.

Как у всякого четырехполюсника, характеристическое сопротивление фильтра

Через параметры конкретной схемы характеристическое сопротивление рассчитывается: - для Т – образной схемы,  

Фильтры верхних частот ФВЧ

Реактивные элементы здесь меняются местами. По сравнению с ФНЧ в продольном плече стоит конденсатор, сопротивление которого убывает на верхних…    

Полосовые фильтры

  Можно рассматривать схемы ПФ, состоящими из двух видов колебательных… последовательного и параллельного, которые обладают соответственно входным сопротивлением 0 или при резонансе. При…

Заграждающие фильтры

Рис. 42. Схема пассивного режекторного LC-фильтра  

Контрольные вопросы

1. Каково назначение электрических фильтров?

2. Дать определения полосы пропускания и полосы задерживания фильтра.

3. Как классифицируются фильтры по полосе пропускаемых частот?

4. Какое ослабление в децибелах допускается в полосе пропускания фильтра?

5. В каких единицах измеряется ослабление фильтра?

6. Какими способами можно повысить крутизну характеристики ослабления?

7. Сравнить схемы, перечислить достоинства и недостатки фильтров типа «к» и типа «m».

8. Что такое «порядок фильтра»?

9. Каковы отличительные особенности фильтров Баттерворта?

10. Каковы отличительные особенности фильтров Чебышева?

11. Каковы отличительные особенности фильтров Золотарева?

 

 


RC - фильтры

На низких частотах LС фильтры оказываются неэффективными, т.к. имеют невысокую добротность - большие потери, но большие габариты и стоимость. В…   Рис.51 Схема пассивного RC-фильтра нижних частот а); характеристика затухания б).

Контрольные вопросы

1. Объяснить принцип построения схем пассивных RC фильтров нижних частот и верхних частот.

2. Каково преимущество RC фильтров по сравнению с LC фильтрами?

3. Перечислить достоинства активных RC фильтров.

4. Определить граничную частоту RC фильтра ВЧ, если элементы фильтра R= 2 кОм, С= 0,1 мкФ

НелинейнЫЕ ЦЕПИ, ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ И СВОЙСТВА

Классификация электрических цепей

Для формирования, преобразования и передачи сигналов электросвязи необходимы специальные технические устройства, с помощью которых осуществляются генерирование электрических колебаний, их модуляция, усиление, фильтрация, детектирование и т.д. Каждое такое устройство состоит из совокупности разнообразных электрических цепей, а эти цепи - из ограниченного числа сравнительно простых элементов.

Электрические цепи и их элементы характеризуются рядом общих свойств независимо от того, в каких конкретно технических устройствах они используются.

 

С учетом общих свойств электрические цепи и их элементы классифицируются на:

Двухполюсники и четырехполюсники

Цепь (элемент) с двумя выделенными зажимами (полюсами) для подключения к другим схемам называется двухполюсником. Это генератор, нагрузка, резистор, конденсатор.

Устройства, снабженные двумя парами зажимов (к одной паре энергию подводят от генератора, а с другой она передается в нагрузку) называются четырехполюсниками.

Активные и пассивные

Двухполюсники и четырехполюсники, содержащие источники энергии, принято называть активными, а не содержащие таких источников - пассивными. Генератор – активный двухполюсник, а нагрузка – пассивный.

Электрические цепи с сосредоточенными и распределенными параметрами

Цепи, в которых электрическое сопротивление сосредоточено в резисторе, индуктивность – в катушке, емкость – в конденсаторе (параметры соединительных проводников при этом не учитываются), называется цепью с сосредоточенными параметрами. Допущение, что параметры сосредоточенные, возможно лишь при условии, что геометрические размеры которыми характеризуется каждый физический элемент цепи (включая провода, соединяющие элементы цепи), значительно меньше длины волны, протекающего в цепи тока.

Электрическими цепями с распределенными параметрами называются цепи, в которых длина цепи соизмерима с длиной волны. Методы расчета таких цепей отличаются от тех, которые разработаны для цепей с сосредоточенными параметрами. Пример цепей с распределенными параметрами – линии передачи сигналов электросвязи.

Линейные, нелинейные и параметрические цепи

Классификация по характеру зависимости напряжения или тока на выходе цепи от напряжения или тока на входе. График этой зависимости называется вольт-амперной характеристикой.

В линейной цепи между подведенным напряжением и протекающим по цепи током существует линейная зависимость. Для линейных цепей это прямая линия (рис.60а).

Параметры линейных элементов не зависят от величины и направления приложенного напряжения и протекающего тока. Линейными элементами являются резистор, индуктивность без сердечника и линейный конденсатор.

 

а) б)

Рис.60 а) ВАХ линейного элемента б) ВАХ нелинейного элемента

 

К нелинейным относятся цепи, содержащие хотя бы один нелинейный элемент. Характерным признаком нелинейного элемента является вид вольт-амперной характеристики – кривая линия (рис.60б). Такая характеристика объясняется зависимостью параметров цепи от величины и направления приложенного напряжения и протекающего тока.

Примеры нелинейных элементов – все полупроводниковые приборы.

Рис.60б – ВАХ полупроводникового диода.

Рис.61 – ВАХ туннельного диода, характерной особенностью которого является наличие отрицательной составляющей на участке (U1 – U2). Здесь с ростом напряжения сопротивление уменьшается.

Рис. 61 ВАХ туннельного диода

 

Параметрическими называются цепи, у которых под воздействием внешнего управляющего напряжения можно изменять параметры по заданному закону. Пример - варикап - полупроводниковый диод, включенный в запертом состоянии (минус – на аноде). При изменении переменного напряжения его емкость меняется по закону приложенного напряжения (Рис.62). Варикапы используют для электронной настройки контуров.

 

 

 

Рис.62 Изменение емкости варикапа по закону приложенного напряжения

Свойства нелинейных электрических цепей

В этом можно убедиться на примере: воздействие 1-е – и1, воздействие 2-е – и2, сумма двух воздействий и = и1 +… В линейной цепи отклик (реакция) i = аи. Отклик на 1-е воздействие i1 = аи1

Аппроксимация характеристик нелинейных элементов

  Наиболее распространенные аппроксимирующие функции: Аппроксимация степенным полиномом

Методы анализа отклика нелинейных цепей

Задачей анализа является определение токов и напряжений в этой цепи. Для определения формы и гармонических составляющих тока на выходе, если задана… Графический анализ состоит в построении временной диаграммы отклика по графику… Аналитический метод спектрального анализа отклика возможен при наличии математического выражения (формулы),…

Вопросы и задания

  1. Какие электрические цепи называются активными, какие – пассивными?
  2. Какие электрические цепи (элементы) называются линейными, нелинейными, параметрическими?
  3. Основные свойства НЭ?
  4. Способы анализа отклика НЭ на гармоническое (бигармоническое) воздействие?
  5. Дать определение аппроксимации ВАХ. Назвать основные способы аппроксимации.
  6. Построить спектральную диаграмму отклика НЭ на гармоническое воздействие, если ВАХ НЭ аппроксимируется полиномом третьей степени, частота входного сигнала

30 кГц.

7. Построить спектральную диаграмму отклика НЭ на бигармоническое воздействие, если ВАХ НЭ аппроксимируется полиномом второй степени, частоты гармоник на входе 100 кГц и 10 кГц.

  1. Построить спектральную диаграмму отклика НЭ на гармоническое воздействие с частотой 20 кГц, если угол отсечки Θ = 900, амплитуда импульсов выходного тока

Im= 10 мА