Благодаря чему возможна одновременная работа многих радиостанций
Благодаря чему возможна одновременная работа многих радиостанций
2-й семестр
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА
4. Электромагнитные колебания и волны
УРОК 11/53
Тема. Принцип радиотелефонной связи
Цель урока: раскрыть физический принцип радиотелефонной связи.
Тип урока: урок изучения нового материала.
1. Модулирование колебаний.
2. Детектирование колебаний.
Изучение нового материала
1. Принцип радиосвязи.
Закрепление изученного материала
1. Качественные вопросы.
ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА
Принцип радиосвязи заключается вот в чем: переменный электрический ток высокой частоты, созданный в передающей антенне, вызывает в окружающем пространстве быстросъемное электромагнитное поле, которое распространяется в виде электромагнитной волны. Достигая приемной антенны, электромагнитная волна вызывает в ней переменный ток той же частоты, на которой работает передатчик.
Для осуществления радиотелефонной связи необходимо использовать высокочастотные колебания, интенсивно излучаемые антенной. Для передачи звука эти высокочастотные колебания изменяют с помощью электрических колебаний низкой частоты (этот процесс называют модуляцией).
В приемнике из модулированных колебаний высокой частоты выделяются низкочастотные колебания (этот процесс называют детектированием). Полученный в результате детектирования сигнал соответствует тому звуковому сигналу, действующему на микрофон передатчика. После усиления колебания низкой частоты могут быть преобразованы в звук.
Для осуществления радиотелефонной связи прежде всего необходимо преобразовать звуковые колебания в электрические. Эту функцию выполняет микрофон.
Казалось бы, остается передать полученные электрические колебания в антенну передатчика и получить в пространстве электромагнитную волну. Но практически это невозможно: частоты звуковых колебаний (до 20 кГц) очень малы для образования электромагнитной волны заметной мощности (мощность излучаемой волны пропорциональна частоте в четвертой степени).
Для осуществления радиотелефонной связи необходимо использовать высокочастотные (ВЧ) колебания, интенсивно излучаемые антенной. ВЧ-колебания вырабатывает генератор, например генератор на транзисторе. Для передачи звука эти ВЧ колебания изменяют с помощью колебаний низкой (НЧ) или звуковой частоты.
Ø Процесс модуляции состоит в изменении одного или нескольких параметров высокочастотного колебания по закону передаваемого сообщения (низкочастотные колебания).
Остается преобразовать электрические колебания в звуковые. Это делают с помощью динамика.
4. Принцип радиотелефонной связи
Основные этапы получения и преобразования радиосигнала:
1) генератор незатухаючих электромагнитных колебаний создает высокочастотные колебания, частота которых равна собственной частоте колебаний колебательного контура;
2) высокочастотные колебания модульовано колебаниями переданного сообщения;
3) полученные модулированные колебания усиливаются и подаются в передающую антенну, которая излучает электромагнитные волны в окружающее пространство;
4) достигнув приемной антенны, электромагнитные волны возбуждают в ней высокочастотные колебания;
5) слабые высокочастотные колебания усиливаются и подаются в детектор;
6) после детектирования из модулированных колебаний выделяются колебания низкой частоты, которые усиливаются и преобразуются в звук.
Принципиальная схема современного радиотелефонной связи изображена на рисунке.
ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА
1. Как преобразуются звуковые колебания в электрические?
2. Почему во время радиосвязи используют электромагнитные волны высокой частоты?
3. Как преобразуют электрические колебания в звуковые?
4. Как приемник выбирает радиостанцию?
1. Можно, превратив звуковые колебания в электрические, подавать их в антенну и таким образом осуществить передачу по радио речи или музыки?
2. Почему нельзя принятые и усиленные электромагнитные колебания подавать в громкоговоритель?
3. Благодаря чему возможна одновременная работа многих радиостанций?
ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА
1. С какой целью во входной колебательный контур радиоприемника включают конденсатор переменной емкости?
2. Почему колебания высокой частоты, которые используются во время радиосвязи, называют несущими?
3. За счет какой энергии возбуждается колебательное движение заряженных частиц в антенне радиоприемника? Какова частота их колебаний?
1. На какой частоте суда передают сигнал опасности, если по международному соглашению длина радиоволны должна быть 600 м?
2. На какой длине волны работает радиостанция, передавая программу на частоте 1,2 МГц?
3. Период колебаний в колебательном контуре, что излучает радиоволны длиной волны 300 м?
ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ
• Процесс модуляции состоит в изменении одного или нескольких параметров высокочастотного колебания по закону передаваемого сообщения (низкочастотные колебания).
• Основные этапы радиотелефонной связи: генерация незатухаючих электромагнитных колебаний; модуляция; излучение электромагнитных волн в окружающее пространство; детектирование; выделение колебаний низкой частоты, которые усиливаются и преобразуются в звук.
Лекция 61. Изобретение радио А.С. Поповым. Принципы радиосвязи Радиолокация телевидение. Развитие средств связи.
Цель занятия: раскрыть физический принцип радиотелефонной связи.
Тип занятия: занятие изучения нового материала.
| Демонстрации | 1. Модулирование колебаний. 2. Детектирование колебаний. 3. Видео-фрагменты фильма «Физические основы радиопередачи». |
| Изучение нового материала | 1. Принцип радиосвязи. 2. Модуляция. 3. Детектирования. 4. Принцип радиотелефонной связи. |
ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА
1. Принцип радиосвязи
Принцип радиосвязи заключается вот в чем: переменный электрический ток высокой частоты, созданный в передающей антенне, вызывает в окружающем пространстве быстросъемное электромагнитное поле, которое распространяется в виде электромагнитной волны. Достигая приемной антенны, электромагнитная волна вызывает в ней переменный ток той же частоты, на которой работает передатчик.
Для осуществления радиотелефонной связи необходимо использовать высокочастотные колебания, интенсивно излучаемые антенной. Для передачи звука эти высокочастотные колебания изменяют с помощью электрических колебаний низкой частоты (этот процесс называют модуляцией).
В приемнике из модулированных колебаний высокой частоты выделяются низкочастотные колебания (этот процесс называют детектированием). Полученный в результате детектирования сигнал соответствует тому звуковому сигналу, действующему на микрофон передатчика. После усиления колебания низкой частоты могут быть преобразованы в звук.
Для осуществления радиотелефонной связи прежде всего необходимо преобразовать звуковые колебания в электрические. Эту функцию выполняет микрофон.
Казалось бы, остается передать полученные электрические колебания в антенну передатчика и получить в пространстве электромагнитную волну. Но практически это невозможно: частоты звуковых колебаний (до 20 кГц) очень малы для образования электромагнитной волны заметной мощности (мощность излучаемой волны пропорциональна частоте в четвертой степени).
Для осуществления радиотелефонной связи необходимо использовать высокочастотные (ВЧ) колебания, интенсивно излучаемые антенной. ВЧ-колебания вырабатывает генератор, например генератор на транзисторе. Для передачи звука эти ВЧ колебания изменяют с помощью колебаний низкой (НЧ) или звуковой частоты.
Ø Процесс модуляции состоит в изменении одного или нескольких параметров высокочастотного колебания по закону передаваемого сообщения (низкочастотные колебания).
Остается преобразовать электрические колебания в звуковые. Это делают с помощью динамика.
4. Принцип радиотелефонной связи
Основные этапы получения и преобразования радиосигнала:
1) генератор назатухающих электромагнитных колебаний создает высокочастотные колебания, частота которых равна собственной частоте колебаний колебательного контура;
2) высокочастотные колебания модулированы колебаниями переданного сообщения;
3) полученные модулированные колебания усиливаются и подаются в передающую антенну, которая излучает электромагнитные волны в окружающее пространство;
4) достигнув приемной антенны, электромагнитные волны возбуждают в ней высокочастотные колебания;
5) слабые высокочастотные колебания усиливаются и подаются в детектор;
6) после детектирования из модулированных колебаний выделяются колебания низкой частоты, которые усиливаются и преобразуются в звук.
Принципиальная схема современного радиотелефонной связи изображена на рисунке.
Решение задач
1. На какой частоте суда передают сигнал опасности, если по международному соглашению длина радиоволны должна быть 600 м?
2. На какой длине волны работает радиостанция, передавая программу на частоте 1,2 МГц?
3. Период колебаний в колебательном контуре, что излучает радиоволны длиной волны 300 м?
Контрольные вопросы:
1. Как преобразуются звуковые колебания в электрические?
2. Почему во время радиосвязи используют электромагнитные волны высокой частоты?
3. Как преобразуют электрические колебания в звуковые?
4. Как приемник выбирает радиостанцию?
1. Можно, превратив звуковые колебания в электрические, подавать их в антенну и таким образом осуществить передачу по радио речи или музыки?
2. Почему нельзя принятые и усиленные электромагнитные колебания подавать в громкоговоритель?
3. Благодаря чему возможна одновременная работа многих радиостанций?
4. С какой целью во входной колебательный контур радиоприемника включают конденсатор переменной емкости?
5. Почему колебания высокой частоты, которые используются во время радиосвязи, называют несущими?
6. За счет какой энергии возбуждается колебательное движение заряженных частиц в антенне радиоприемника? Какова частота их колебаний?
Домашнее задание
1. Учебник-1: § 35; Учебник-2: § 18 (п. 2).
Уровень1 № 12.12; 12.13; 12.14; 12.15.
Уровень2 № 12.25; 12.28; 12.29; 12.31.
Список использованной литературы
1. Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. — 19-е изд. — М.: Просвещение, 2010. — 366 с.: ил.
2. Марон А.Е., Марон Е.А. «Сборник задачорник качественных задач по физике 11 кл, М.: Просвещение,2006
3. Л.А. Кирик, Л.Э.Генденштейн, Ю.И.Дик. Методические материалы для преподавателя 10 класс,М.:Илекса, 2005.-304с:, 2005
4. Л.Э.Генденштейн, Ю.И.Дик. Физика 11 класс.-М.: Мнемозина,2010
Цифровой стандарт радиосвязи Волновая сеть — от локальной группы до региональной сети оперативной связи
ООО «Радиотехника» является одной из ведущих отечественных компаний в сфере разработки, производства и проектирования современных профессиональных систем радиосвязи. Начиная с 2010 года началась разработка нового алгоритма для организации оперативной радиосвязи. С течением времени благодаря гибкости созданной технологии, непрерывному процессу разработки и прямым взаимодействием с каждым заказчиком на основе алгоритма сформировался высокотехнологичный комплекс связи (рис 1). Комплекс сохраняет свои базовые характеристики, которые необходимы для реализации оперативной радиосвязи даже при построении самых сложных решений различного масштаба, от связи в локальной группе до региональной телекоммуникационной сети.
Рис 1. Архитектура комплекса «Волновая сеть»
Принципы организации радиосети на основе алгоритма «Волновая сеть»
Каждый абонент ретранслирует пакеты данных и не мешает делать это другим. Для этого абонент выходит в эфир, когда эфир становится свободным. При этом абонент гарантирует распространение пакета данных. Узлы принимают и обрабатывают обязательно только первый пакет данных. Это дает эффективное распространение информации в пространстве. Другими словами, пакеты данных в радиосети диффузно распространяются только в тех направлениях, где еще не были. Каждый узел исходя из количества приходящих копий пакетов, решает необходимо ли ретранслировать пакет данных дальше, тем самым регулирует избыточность в радиосети.
Такой алгоритм организации радиосети позволяет реализовывать:
Децентрализацию (отсутствие базовых станций и опорных узлов)
Самоорганизацию (организация радиосети со случайными мобильными абонентами)
Топологию с быстро меняющимися и случайным соединением узлов.
Пакеты данных распространяются по всей сети, а обрабатывают их только те узлы, которым они предназначались. Такая настраиваемая логическая структура радиосети организует пространственные потоки данных и разделяет информацию различного типа, значения и содержания по каналам данных.
Радиосеть позволяет организовывать гибкую структуру полудуплексных переговоров, включая групповой и индивидуальный вызов. Для каждого абонента выстраивается разговорная матрица с каналами передачи и приема с многоуровневыми приоритетами.
Протокол интегрирован в радиостанции отечественного производства, которые представляют маломощные устройства, работающие в дециметровом диапазоне. Эффективная излучаемая мощность (ЭИМ) 25мВт. Диапазоны используемых частот 868,9 МГц, 864-865 МГц, модуляция QPSK. Дальность действия в режиме точка-точка сотни метров для абонентских станций, 10 км и более для опорных ретрансляторов с круговой диаграммой направленности, до 30 км для направленных антенн. Возможно параллельно использовать до 8 активных голосовых каналов одновременно. Данную технологию можно распространить для устройств УКВ диапазона. Так как разрешенная полоса строго регламентирована, будет ограничено количество ретрансляций (см. рис.2).
Все типы устройств организуют радиосеть по одинаковому принципу. Стационарные ретрансляторы настроены на гарантированную ретрансляцию пакетов данных, абоненты настроены на оптимальную ретрансляцию для разгрузки сети. В зависимости от своего назначения устройства отличаются по дальности действия, режимам работы в сети и исполнению. Организация связи в локальной группе определяет Локальный уровень системы.
Кроме организации переговоров возможна трансляция телеметрических данных сквозь «Волновую сеть» и спутниковые/сотовые или другие каналы связи. Комплекс «Волновая сеть» предоставляет только среду для обмена низкоскоростным потоком данных (9600 бит/с). Внешнее подключаемое оборудование должно само организовывать правила взаимодействия с датчиками по средствам своих протоколов. Внутри одной радиозоны возможно совмещать функционал передачи данных и переговоры.
Промышленный (объектовый) уровень
Для оперативного развертывания и мобильного мониторинга всей радиозоны удаленно и на местности было разработано ПО СМУР («Система мониторинга и управления радиосетью»). Устанавливается на планшет под ОС Android. С помощью СМУР возможно оперативно развернуть радиосеть, эффективно расставляя сеть опорных ретрансляторов и анализируя уровень сигналов между ними, наблюдать за радиосетью во время ее эксплуатации и предотвращать выход из строя оборуд ования. Кроме того ведется база переговоров прямо на планшете.
Таким образом, принципы организации радиосети и мобильное ПО для развертывания сети позволяют за минуты развернуть стационарную радиозону. Поэтому комплекс «Волновая сеть» обеспечивает быстроразварачиваюмую и быстроперестраиваемую надежную легкомасштабируемую радиосвязь. Это критически важно для служб быстрого реагирования особенно в местах удаленных от цивилизации. При продуманной расстановке ретрансляторов радиосеть не будет образовывать слепые зоны в радиопокрытии в ситуации, когда какой-либо из ретрансляторов выйдет из строя.
Кроме того СМУР активно используется при вводе в эксплуатацию нового проекта радиосвязи от промышленных объектов и портов до горных шахт и рудников.
Для локальной интеграции с другими радиосетями на одной территории комплекс имеет решение в виде радиостанции 3Р324Н «Волновая сеть», которая двунаправленно транслирует трафик между радиосетью «Волновая сеть» и одним из двух выбранных диапазонов (146-174 МГц и 433-470 МГц) в аналоговом или цифровом формате с минимальным разносом частоты 12.5 кГц.
Региональный уровень
Для этих целей используется модуль АМС. Он транслирует эфирный трафик радиосети сквозь проводные, оптико-волоконные, беспроводные, сотовые и другие сети, в том числе сети общественного пользования (Интернет). Возможно гибко настраивать трансляцию трафика, связывая сети и логические каналы в различных конфигурациях.
С помощью АМС возможно гибко организовывать клиент-серверную архитектуру ССД/АРМ (Сервер сбора данных/Автоматизированное рабочее место), которая входит в комплект стационарного мониторинга радиосети (рис 2). Комплект ССД/АРМ нацелен на ведение базы данных переговоров и мониторинг абонентов в радиозоне. АРМ позволяет отслеживать параметры абонентов, прослушивать и фиксировать переговоры и для некоторых радиостанций, имеющих GPS приемник, отслеживать их передвижения на геоинформационной карте встроенной в АРМ. Архитектура комплекса позволяет территориально разносить радиозону, ССД, АРМ друг от друга, объединяя их через локальную сеть (например, предприятия или глобальную сеть (например, интернет). АРМ в сочетании с диспетчерской радиостанцией позволяет организовать дежурно-диспетчерскую службу всей радиосети.
Рис 2. Клиент-серверная архитектура комплекса «Волновая сеть»
Спутниковый и сотовый канал связи может использоваться для объединения удаленных радиозон или сопряжения радиозоны и отдельных подвижных абонентов с другими системами связи. Спутниковый канал особенно актуален для зон удаленных от цивилизации.
Для коммутации комплекса «Волновая сеть» с телефонной IP-связью осуществляется с помощью RoIP шлюза. Один или группа абонентов IP-сети может установить связь с одним логическим каналом внутри одной сети комплекса «Волновая сеть» Один логический канал радиосети может выделяться для индивидуального или группового использования.
Рис 3. Интеграция радиосети комплекса «Волновая сеть» с другими системами связи
Монополия иностранных стандартов радиосвязи (DMR, APCO25,Tetra, IDAS и т.д) в России создает скептическое отношение к инновационным разработкам. Это мешает реализовывать качественные, устойчивые и эффективные решения за разумные деньги. Блокирует создание условий для развития отечественной микроэлектроники в интересах приборостроения.
По факту алгоритм Волновая сеть является отечественным цифровым стандартом радиосвязи. Cтатус телекоммуникационного оборудования российского происхождения (ТОРП) был присвоен Минпромторгом 39 наименованиям радиотехнической продукции, которую выпускает компания «Радиотехника». В состав этого списка вошли линейки индивидуальных радиостанций и ретрансляторов «Гранит» и «Волновая сеть», а также цифровая приемо-передающая аппаратура «Гранит». Все оборудование работает на основе нового отечественного цифрового стандарта оперативной связи и передачи данных «Волновая сеть».
Реализованы все сегменты стандарта – протокол обмена данными, аппаратура потребителей, стационарное и стыковочное оборудование, клиент-серверная структура, автоматизированное рабочее место. Это дает надежду на реальное развитие приборостроения в РФ, не взирая на серьезное технологическое отставание от развитых стран.
Гранит Р48У.7 «Волновая сеть»
Неограниченное число ретрансляций пакетов данных не менее 4 одновременных разговоров полосе 0,5МГц,
Гранит 3Р324Н «Волновая сеть»
В диапазонах 146-174 МГц, 433-470 МГц 3 ретрансляции на одном частотном канале шириной 25кГц и 7 ретрансляций при ширине 50кГц в рамках одной радиосети.
Гранит 3Р324В «Волновая сеть»
В диапазонах 146-174 МГц, 433-470 МГц 3 ретрансляции на одном частотном канале шириной 25кГц и 7 ретрансляций при ширине 50кГц в рамках одной радиосети.
Благодаря чему возможна одновременная работа многих радиостанций
Радиоволны были открыты и детально изучены экспериментально немецким физиком Герцем (1888 г.). Толчком к его открытию послужила теория Максвелла, предсказывающая существование и свойства электромагнитных волн, а также электромагнитную природу света. Подчеркнем, что опыты Герца были не просто проверкой
одной из теорий, они доказали реальность электромагнитного поля и послужили фундаментом современных представлений об электромагнитных явлениях, а также открыли дорогу их практическим применениям, которые сегодня так изменили условия нашего существования.
Интересно отметить, что сам Герц не только не думал о практическом приложении своего открытия, но и отрицал возможность использования радиоволн для связи на расстоянии. Эти возможности ясно понимал другой физик того времени — англичанин Крукс, изложивший в 1892 г. главные, по его мнению, особенности метода радиосвязи, сохранившиеся и до сих пор (в частности, основу современной радиосвязи — избирательность по частоте). Крукс четко сформулировал также основные технические проблемы, которые предстояло решить для практического осуществления радиосвязи. Начало этому важнейшему применению электромагнитных явлений было положено изобретениями Попова и Маркони (1896 г.). Бурное развитие радиотехники началось после 1901 г., когда удалось осуществить первую межконтинентальную радиосвязь Европа — Америка. Основное применение радиоволн остается неизменным. Однако в связи с бурным развитием радиотехники, существенно расширились возможности радиосвязи. Появились телевидение и радиолокация, большие успехи достигнуты в области дальней (космической) радиосвязи на расстояния более миллиарда километров. Интенсивно развивается одна из областей космофизики — радиоастрономия. До недавнего времени наблюдение за небесными телами производилось лишь в оптическом диапазоне. Однако оказалось, что многие «активные» небесные тела — звезды, туманности, квазары, пульсары и пр. — излучают электромагнитные волны в широком диапазоне. Кроме того, были обнаружены «невидимые» источники радиоизлучения, так что картина неба в радиодиапазоне существенно отличается от привычной.
Основной метод генерации радиоволн — возбуждение собственных колебаний в LC-контуре или в резонаторе с последующим их усилением и излучением в пространство через специальное устройство — антенну. Характерной особенностью такого метода является генерация волны, близкой к монохроматической. В конечном счете это связано с использованием явления резонанса как в генераторах, так и в приемниках радиоволн. Методы регистрации принципиально те же: в антенне наводятся электромагнитные колебания, которые затем усиливаются (резонансно) и обрабатываются радиоприемником.
Основной метод передачи информации по радио — модуляция «несущей» радиоволны. Чаще всего применяется амплитудная модуляция, на которой работает большинство радиостанций, а также частотная модуляция. Модулированная волна, конечно, уже не монохроматична, однако, как мы увидим дальше (см. § 79), занимаемую ей полосу частот можно сделать относительно малой 
Благодаря этому возможна одновременная независимая работа многих радиостанций, что лежит в основе современной радиосвязи.
Рис. VIII.1. Фазоимпульсная (широтно-импульсная) модуляция. 1 — передаваемый сигнал; 2 — модулирующие импульсы; 3 — сигналы на выходе радиостанции (на входе приемника); 4 — импульсы в приемнике после ограничения и детектирования.
Соответственно важнейшее свойство радиоприемника — его избирательность, т. е. способность регистрировать радиоволны только в узкой полосе частот.
Подчеркнем, что радиосвязь с помощью почти монохроматических волн, конечно, не является единственно возможной. Просто такой метод оказался технически наиболее эффективным благодаря применению резонанса. Отметим, что в настоящее время все большее распространение получают устройства, применяющие совсем немонохроматические волны. Они получаются, например, с помощью особой так называемой фазоимпульсной (или широтно-импульсной) модуляции (рис. VIII.1). Радиостанция излучает пакеты одинаковых прямоугольных видеоимпульсов, которые смещаются относительно некоторых фиксированных (реперных) моментов времени на интервалы 
пропорциональные мгновенному значению передаваемого сигнала. В приемнике после обычного детектирования воспроизводится последовательность импульсов, из которой в специальном фазовом детекторе выделяется полезный (передаваемый) сигнал. Селективность этой системы связана с определенным законом расположения реперных точек. Основным ее преимуществом является высокая помехоустойчивость, так как связь осуществляется в широкой полосе частот.
Другим интересным примером может служить так называемая шумовая радиолокация, в которой используется непрерывный шумовой сигнал с широким спектром.
Опыты с радиоволнами наглядно демонстрируют их оптические свойства: отражение, преломление, поляризацию, интерференцию и дифракцию. Именно такие опыты и были сделаны в свое время Герцем и позволили ему, в частности, установить электромагнитную природу света.