Радиосвязь

В конце XIX столетия были открыты и исследованы свойства неви­димых электромагнитных волн, способных распространяться на большие расстояния. Эти волны были названы радиоволнами. Обоб­щая обширный опытный материал, собранный естествоиспытателя­ми, английский физик Джеймс Максвелл создал теорию электромаг­нитного поля, установившую общую природу световых и радиоволн, а также открыл законы их распространения. В дальнейшем были изу­чены другие виды излучения: ультрафиолетовое, инфракрасное, рентгеновское и т.п. Исследования показали, что, несмотря на разли­чие ряда свойств этих видов излучения природа их одна и та же: все они представляют собой электромагнитные волны, а особенности их физических проявлений определяются различием в длине волны.

В 1886-1888 гг. Генрих Герц экспериментально подтвердил основ­ные выводы теории Максвелла, показав, что законы распростране­ния, отражения и преломления радиоволн аналогичны законам рас­пространения света.

При создании электромагнитной теории света Максвелл сразу столкнулся с большой трудностью. Все известные до этого волнооб­разные движения материи объяснялись механическим движением и упругим взаимодействием частиц тех сред, в которых они происходят. Например, распространение волн на поверхности воды объясняется действием сил внутреннего трения и поверхностного натяжения воды, распространение звука - упругими деформациями в среде или коле­баниями молекул газа. В вакууме распространение этих колебаний невозможно.

Как же объяснить то, что световые волны беспрепятственно рас­пространяются в мировом пространстве, которое можно считать поч­ти идеальным вакуумом? Максвелл предположил, что все мировое пространство заполнено каким-то неощутимым видом материи, на­званным им эфиром, а распространение электромагнитных волн, в том числе и света, объясняется колебаниями частиц эфира.

Вместе с тем экспериментальная физика накапливала все новые и новые данные о свойствах электромагнитных волн. Замечательные опыты П.Н. Лебедева, проведенные в 1901 г., позволили обнаружить измерить давление.света. В дальнейшем было доказано, что частица, излучающая электромагнитные волны, теряет часть своей массы, наконец, изучение элементарных ядерных частиц и их реакций пока­зало, что при некоторых условиях могут происходить превращения частиц в электромагнитное излучение и, наоборот, можно наблюдать переход электромагнитного излучения в электрически заряженные истицы. Было открыто, что, с одной стороны, электроны ведут себя как элементарные частицы материи, а с другой - они обладают и некоторыми свойствами волн, например способностью к дифракции, т.е. способностью огибать препятствия. В свою очередь, электромагнит­ов, излучение обладает корпускулярными, дискретными свойствами, е. свойствами потока мельчайших частиц.

Все эти факты привели к выводу, что электромагнитные волны представляют собой особую форму движущейся материи.

Теория электромагнитного поля Максвелла, за исключением гипотезы об эфире, правильно отражает объективную физическую реальность, являясь обобщением основных законов электричества, установленных опытным путем.

В ней содержится очень важный вывод, что переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле. Если же учесть, го закон электромагнитной индукции устанавливает обратную зависимость, то следует заключить, что переменные электрические и магнитные поля всегда существуют совместно и связаны между собой определенной количественной зависимостью. Переменное электрическое поле создает переменное магнитное поле, а переменное магнитное поле создает переменное электрическое поле. Поэтому любое возмущение, т.е. изменение электрического или магнитного по­ля, приводит к возникновению единого переменного электромагнит­ного поля.

Важнейшим свойством переменного электромагнитного поля яв­ляется то, что оно не локализуется в месте возникновения. От точки, где оно возникло, возмущение начинает распространяться во все стороны в окружающее пространство, порождая электромагнитные волны, подобно тому, как всплеск воды от камня, брошенного в пруд, создает разбегающиеся по его поверхности волны.

Электромагнитные волны являются носителями энергии. За счет лучистой энергии, приносимой ими с поверхности Солнца, существует жизнь на Земле. Следовательно, создание электромагнитного излу­чения должно явиться результатом процессов преобразования энер­гии. Такое преобразование произойдет, например, если заставить электрон двигаться с ускорением. Энергия, затрачиваемая устройст­вом, вынуждающим электрон двигаться с ускорением, превращается в энергию электромагнитного излучения. Из курса физики известно, что электроны в атомах движутся около положительно заряженного ядра по орбитам, на которых они обладают постоянной энергией. При некоторых условиях электроны могут переходить с одной орбиты на другую, вследствие чего их энергия изменяется; избыток ее превра­щается в электромагнитное излучение. Этот способ возбуждения электромагнитных волн находит применение в бурно развивающейся в настоящее время отрасли науки и техники - квантовой электронике.

В радиотехнике основное практическое применение нашел метод использования ускоренного движения свободных электронов, нахо­дящихся в огромном количестве в телах проводников.

Очевидно, что создать ускоренное движение электронов в одном направлении длительно практически невозможно, поэтому приходит­ся ускорение в одном направлении сменять замедлением, т.е. уско­рением в противоположном направлении. Подобный цикл может быть повторен неоднократно. Это можно осуществить путем присоедине­ния каких-либо проводников к зажимам источника, переменной ЭДС, под действием которой свободные электроны проводника начинают совершать колебательное движение, создавая электромагнитное из­лучение в окружающем пространстве. Такой проводник, преобразую­щий энергию источника переменной ЭДС в энергию электромагнит­ных волн, называется передающей антенной.

Теория Максвелла позволила установить, что скорость распро­странения электромагнитных волн в какой-либо среде V = с/ , где с - скорость распространения света в вакууме; - диэлектрическая проницаемость среды, а - магнитная проницаемость среды. Для воздуха ≈ ≈1, а скорость распространения электромагнитных волн близка к скорости света в вакууме: V = с ≈ 300 000 км/с. Колебания электронов в антенне создаются источником периоди­чески изменяющейся ЭДС с периодом Т. Если в некоторый момент поле у антенны имело максимальное значение, то такое же значение оно будет иметь спустя время Т. За это время существовавшее в на­чальный момент у антенны электромагнитное поле переместится на расстояние λ = \/Т.

Минимальное расстояние между двумя точками пространства, по­ле в которых имеет одинаковое значение, называется длиной волны. Длина волны λ зависит от скорости ее распространения и периода колебаний электронов в антенне. Так как частота тока f= 1/T, то дли­на волны λ = V/f.

Ниже приведены основные важные этапы развития радиотехники:

- 1890г. – Э.Бранди (Франция) ввел в экспериментальную установку специальный индикатор появления электромагнитного поля;

- 1895г. – А.С.Попов (Россия) создал первое радиоприемное устройство для практических целей;

- 1896г. - А.С.Попов (Россия) применив телеграфный аппарат в сочетании со своим радиопримеником обеспечил возможность записи принимаемых сигналов на телеграфную ленту, первая в мире радиограмма была составлена из слов «Генрих Герц»;

- 1897г. – Г.Маркони (Италия) получил патент на устройство беспроволочного телеграфирования;

- 1900г. – А.С.Попов организовал первую практическую линию радиосвязи (44км);

- 1906г. – Ли де Форест (США) изобрел ламповый триод;

- 1913г. – Мейснер (Германия) изобрел ламповый генератор;

- 1934г. – М.А.Бонч-Бруевич (СССР) разработал первую в мире РЛС;

- 1948г. – Дж.Бардин, У.Браттейн (США) изобрели транзистор.

Р а д и о с в я з ь ю называется электрическая связь, предназначенная для передачи сообщений на большое расстояние, посредством электромагнитного излучения, с использованием тока высокой частоты (ВЧ). К а н а л о м радиосвязи или р а д и о л и н и е й называется совокупность технических средств и физической среды, в которой сигналы, отображающие передаваемую информацию, распространяются от ее источника к ее получателю, причем средой распространения служит открытое пространство. Структурная схема канала радиосвязи приведена на рисунке 3.1. Здесь ИС – источник сообщения, ПМ – преобразователь сообщения в сигнал и цепи связи этого преобразователя с радиооборудованием, Пер – радиопередающее устройство, В – пространство распространения радиоволн, Пр – радиоприемное устройство, ПД – цепи связи радиоприемного устройства с последующими цепями и преобразователь сигнала в сообщение, ПС – получатель сообщения. В качестве устройств, обеспечивающих согласование радиопередатчика и радиоприемника со средой, используются антенны.

Рисунок 3.1 - Структурная схема канала радиосвязи

В радиопередатчике осуществляются два основных процесса: г е н е р а ц и я колебаний радиочастоты требуемой амплитуды и мощности и управление одним из параметров этих колебаний в соответствии с мгновенными значениями электрических сигналов с выхода устройства их формирования. С выхода радиопередатчика модулированное колебание радиочастоты поступает в передающую антенну, которая является системой проводов или металлической поверхностью, здесь эти колебания превращаются в радиоволны. Возникновение и отрыв радиоволн от передатчика называются и з л у ч е н и е м. Радиоволны, взаимодействуя с окружающей средой, претерпевают ряд изменений и достигают приемного пункта. Здесь в приемной антенне, аналогичной передающей по конструкции, радиоволны наводят электродвижущую силу (ЭДС) радиочастоты. В связи с большой потерей энергии радиоволн в среде распространения ЭДС имеет весьма малую амплитуду. Поэтому главной задачей радиоприемного устройства является у с и л е н и е принятых модулированных колебаний радиочастоты по напряжению и мощности. Одновременно с усилением осуществляется процесс и з б и р а т е л ь н о с т и - подавления паразитных колебаний, наведенных в приемной антенне электромагнитными волнами от различных источников радиопомех, существующих в радиоканале. После усиления колебаний и освобождения от помех происходит процесс их д е м о д у л я ц и и, т.е. процесс преобразования модулированных (манипулированных) колебаний радиочастоты в электрические телефонные (телеграфные) сигналы звуковой частоты. Последние после дополнительной обработки (усиления, декодирования и т.д.) поступают в устройство преобразования сигналов, а далее непосредственно к получателю информации.

Рассмотрим структурную схему радиоканала более подробно. Передаваемое сообщение преобразуется преобразователем в электрические сигналы, в качестве которого может быть применен телеграфный ключ или микрофон в зависимости от формы сообщения. Радиопередающее устройство состоит из генератора, модулятора, усилителя радиочастоты и передающей антенны. Генерирование тока ВЧ на передающей станции осуществляется генератором высокой частоты ГВЧ. Электрические сигналы, поступая на генератор ГВЧ, управляют током ВЧ, питающим антенну. Изменения тока ВЧ под воздействием передаваемых сигналов приводят к соответствующим изменениям излучаемых волн, которые отображают в себе электрические сигналы, а следовательно, и передаваемое сообщение. Модуляция сигнала необходима для представления его в помехоустойчивой форме, а также для увеличения скорости передачи информации. Так, изменяется один из параметров сигнала, ток звуковой частоты модулируется в ток ВЧ. К выходу усилителя подключается передающая антенна, представляющая собой провод, подвешенный на высоких мачтах над землей. Антенна излучает в окружающее пространство электромагнитную энергию в виде электромагнитных волн (радиоволн). Электромагнитное поле радиоволн распространяясь и встречая на своем пути приемную антенну, наводит в ней ЭДС, создавая ток ВЧ, повторяющий изменения тока в передающей антенне. Далее приступает к работе радиоприемник. Приемник содержит входное устройство, соединенное с приемной антенной, усилитель, детектор или демодулятор и воспроизводящее устройство. Так как, на приемную антенну падают электромагнитные волны от многих передатчиков, которые возбуждают в антенне целый ряд электрических сигналов, возникает необходимость выделения колебания определенного передатчика. Эту функцию выполняет колебательный контур входного устройства, который настраивается на частоту несущего колебания. Входное устройство также позволяет избавиться от влияния мешающих станций или существенно ослабить его, тем самым резко увеличивая отношение сигнал/шум. С выхода входного устройства модулированное колебание поступает на демодулятор (или детектор), где осуществляется операция, обратная модуляции: из модулированного колебания получается управляющий электрический сигнал. Этот сигнал после усиления в усилителе поступает в воспроизводящее устройство и преобразуется в звуковой сигнал. Усилитель используется в тех случаях, когда приемник далеко удален от передатчика, поскольку интенсивность электромагнитной волны сильно убывает с увеличением расстояния.

На железнодорожном транспорте широко применяется технологическая радиосвязь, которая является одним из средств, способствующих повышению производительности труда и эффективности использования локомотивного и вагонного хозяйств. К основным видам технологической радиосвязи относятся: поездная и станционная связь, радиосвязь ремонтных подразделений.

Поездная радиосвязь (ПРС) предназначена для служебных переговоров машинистов локомотивов, находящихся в пути, с поездным диспетчером и с ДСП, а также для связи машинистов встречных поездов между собой. Этим видом связи по согласованию с поездным диспетчером могут пользоваться дежурный по депо и локомотивный диспетчер. ПРС до настоящего времени оборудовано около 80 тыс. км железных дорог.

Станционная радиосвязь (СРС) используется для служебных переговоров машинистов маневровых и горочных локомотивов с ДСП маневровыми диспетчерами, операторами сортировочных горок, составителями поездов. Кроме того, в систему СРС входят специальные радиосвязи с помощью носимых радиостанций, используемых для служебной связи работников технических контор со списчиками вагонов, связь осмотрщиков вагонов и другие подобные виды связи.

Радиосвязь ремонтных подразделений предназначена для оперативного руководства работой путевых машинных станций (ПМС), оповещения путевых бригад о приближении поезда, для взаимной связи между путевыми бригадами и в других случаях при производстве работ на перегонах я территориях станций.

Усилители низкой частоты широко применяются на железнодорожном транспорте. Их используют на вокзалах для оповещения, а также для связи справок и связи кассир—пассажир. для улучшения обслуживания пассажиров в пути радиофицировано большинство пассажирских поездов Усилительные установки большой мощности применяют для громкоговорящего оповещения на горках, в устройствах парковой связи громкоговорящего оповещения ПСГО и для радиофикации железнодорожных узлов и поселков.

Определенное место в системе транспортной радиосвязи занимает радиорелейная связь, которая используется для организации многоканальной междугородной и других видов связи. Ведутся также работы по внедрению телевидения. Его используют для обзора парков отдельных участков станций станционными и маневровыми диспетчерами. Телевидение можно применять для проверки готовности составов к отправлению и для обзора других производственных процессов, связанных с формированием, отправлением и приемом поездов, а также для связи справок на вокзалах.

Радиостанции для станционной и поездной радиосвязи. Стационарная радиостанция ЖР-У-СС предназначена для организации станционной радиосвязи и работает в диапазоне 150—156 МГц. В ее состав входят приемопередатчик 66 РТМ-А2-ЧМ или 57Р7 и дополнительные приборы, обеспечивающие необходимое усиление сигнала, прием и посылку вызова, а также реле, производящие требуемые коммутации приборов при работе радиостанции.

В схеме приемопередатчика применены полупроводниковые приборы, за исключением предоконечного и выходного каскадов передатчика, в которых установлены электронные лампы.

Приемник выполнен по супергетеродинной схеме с двойным преобразованием частоты, благодаря чему достигается высокая стабильность его работы.

В схеме передатчика имеются следующие каскады: возбудитель, усилитель-ограничитель, фазовый модулятор, утроитель и два удвоителя частоты, предварительный усилитель и усилитель мощности.

Радиостанция ЖР-У-СС обеспечивает посылку вызывного сигнала, модулированного частотой 1000 Гц, с самоконтролем и избирательный прием вызывного сигнала, модулированного частотами 700, 1400 и 2100 Гц. На упрощенной функциональной схеме радиостанции (рисунок 3.2) показаны ее основные функциональные узлы.

Вызывной сигнал, принятый приемником ПРМ, через усилитель приема УI1РЛ4 поступает в приемник тонального вызова IIТВ, при этом загорается лампочка на пульте управления ПУ, включается громкоговоритель Гр, а радиостанция из режима дежурного приема переходит в режим приема. Запускается реле времени РВ-2, подключается питание на генератор контроля и вызова ГКВ. Антенна А переключается контактами р1 и р2 коммутирующего реле с входа ПРМ на выход передатчика ПРД. Передатчик модулируется частотой 890 Гц, посылая сигнал контроля вызова.

Через 2 с радиостанция возвращается в режим приема. Оператор снимает микротелефонную трубку с рычага пульта. Вызывная лампочка гаснет, а к разговорной цепи подключается телефон Тф и через регулятор громкости громкоговоритель. Реле РВ-2 приводится в исходное положение, прекращая посылку контроля вызова. Оператор нажимает тангенту микротелефонной трубки, при этом подается питание на микрофонный усилитель МУ. Радиостанция переходит в режим передачи. Оператор вступает в переговоры. Закончив разговор, он опускает трубку на рычаг пульта. Радиостанция переключается в режим дежурного приема.

Рисунок 3.2 — Упрощенная функциональная схема

радиостанции ЖР-У-СС

Вызов машиниста локомотива (или составителя) оператор производит нажатием кнопки «Лок.сост.» на пульте управления; радиостанция переключается в режим передачи. В это время от ГКВ на модулятор передатчика поступает сигнал частотой 1000 Гц. Вызывной сигнал передается радиостанцией в течение 2 с. Затем радиостанция переключается автоматически в режим приема.

Радиостанция ЖР-У-СС может работать в системе двусторонней парковой связи СДПС-М и с вызывным переговорным устройством ВПУ, которое подключается вместо пульта управления. Питание радиостанции обеспечивается блоком питания БП через феррорезонансный стабилизатор напряжения Ст от сети переменного тока напряжением 87 или 220 В, 50 Гц.

Конструктивно радиостанция представляет собой шкаф, в котором размешены все блоки. Соединения между ними выполнены при помощи вилочных разъемов. К ним имеется доступ для подключения измерительных приборов при контроле электрических режимов.

В состав локомотивной радиостанции ЖР-У-ЛС входит: приемопередатчик 57Р7, усилитель приемника, приемник тонального вызова, генератор контроля и вызова, усилитель магнитофона, реле времени и коммутационные реле, пульт управления с микротелефонной трубкой, вмонтированным в нее микрофонном усилителем, громкоговоритель и блок питания с преобразователем напряжения.

В отличие от стационарной радиостанции локомотивная радиостанция может посылать вызывной сигнал, модулированный частотами 700, 1000, 1400 и 2100 Гц, с самоконтролем частотой 890 Гц. Предусмотрено подключение магнитофона для записи двусторонних переговоров. Функциональная схема радиостанции ЖР-У-ЛС содержит почти такие же блоки, как и стационарная радиостанция, но с некоторыми отличительными особенностями. В конструкции радиостанции блоки установлены на двух амортизационных рамах. Их закрепляют на боковой стенке кабины локомотива. Соединения между блоками выполнены шлангами через разъемы типа ШР. Пульт управления и громкоговоритель устанавливаются в кабине локомотива. Электропитание радиостанция получает от аккумуляторной батареи локомотива напряжением 50 или 75 В.

Радиостанция ЖР-3М предназначена для организации поездной радиосвязи на жестко фиксированных частотах в диапазоне от 2090 до 2170 кГц (от 143,5 до 130 м) и от 2546 до 2626 кГц (от 87,8 до 84,2 м), благодаря чему обеспечивается возможность ее применения для связи с радиостанциями ЖР-3.

Передатчик радиостанции (рисунок 2) состоит из задающего генератора ЭГ (с самовозбуждением).

В передатчике используется специальный вид так называемой частотно-фазовой модуляции. для этого применен фазовый модулятор ФМ. К нему подключен микрофон МК через усилитель-компрессор УК, ограничивающий возможное изменение частоты при модуляции и обеспечивающий номинальную величину напряжения звуковых частот на входе фазового модулятора. Затем следуют каскады УМВЧ — усиления высокой частоты, в которых происходит также умножение частоты до необходимого значения. Выходной каскад передатчика ВУМ представляет собой усилитель мощности. Он соединяется коаксиальным кабелем с антенным согласовывающим устройством СУ, предназначенным для согласования сопротивления антенны любого типа с волновым сопротивлением кабеля.

Приемник радиостанции выполнен по супергетеродинной схеме. Вход приемника присоединен к выходному контуру передатчика. Приемник состоит из усилителя высокой частоты УВЧ, смесителя СМ и гетеродина Гет, усилителя промежуточной частоты УПЧ. За ним включен ограничитель Огр, предназначенный для того, чтобы напряжение на выходе его не зависело от уровня приходящего сигнала, превышающего чувствительность приемника. На выходе ограничителя включен дробный детектор ДД, в котором происходит преобразование частотно-модулированного сигнала в сигнал звуковой частоты. За детектором следует усилитель низкой частоты УНЧ и выходной усилитель мощности УМ с включенным на выходе электродинамическим громкоговорителем Гр и телефоном Тф.

В приемнике радиостанции ЖР-3М имеется шумоподавитель ШП, запирающий усилительные каскады приемника в паузах между переговорами, благодаря чему шум не прослушивается. Кроме того, в схеме приемника предусмотрена автоматическая регулировка громкости АРУ, что значительно повышает помехоустойчивость шумоподавителя.

Вызывное устройство ВУ дает возможность посылки тонального вызова одной из следующих частот: 700, 1000, 1400 и 2000 Гц. Включение производится одной из четырех кнопок Кн (на схеме по казана одна кнопка).

Питание стационарной радиостанции производится от сети переменного тока частотой 50 Гц, напряжением 87 или 220 В через блок питания, состоящий из феррорезонансного стабилизатора напряжения и выпрямителя. Локомотивная радиостанция питается от аккумуляторной батареи с номинальным напряжением 50 или 75 В через блок питания, содержащий полупроводниковый преобразователь, стабили затор напряжения и выпрямитель.

В радиостанции ЖР применены современные малогабаритные детали и электронные лампы, полупроводниковые диоды и триоды, что привело к значительному уменьшению габарита и более экономичному потреблению энергии в сравнении с радиостанцией ЖР-3. Кроме того, радиостанция ЖР-ЗМ обладает улучшенными электрическими параметрами и повышенной помехозащищенностью. В ней обеспечена возможность дистанционного переключения рабочей волны на волну соседнего канала с пульта управления ПУ. При этом производится переключение задающего генератора и гетеродина приемника переключающим устройством ПК.

Рисунок 3.3 – Структурная схема передатчика радиостанции ЖР-3М

Радиостанция смонтирована в виде отдельных небольших блоков. Эти блоки помещены в металлические кожуха, установленные на амортизированных рамах в стальном настенном установочном шкафу. Приемник и передатчик работают па общую антенну.

Функциональная схема радиостанции ЖР-3 похожа на схему радиостанции ЖР-ЗМ. В схеме ЖР-3 отсутствует цепь АРУ, нет дистанционного переключения каналов. Вызывное устройство обеспечивает посылку одной из трех вызывных частот (за исключением частоты 2000 Гц).

Дата добавления: 2014-11-08