Следует знать, что представленный в аналоговом виде сигнал при трансляции его по радиоканалу подвергается воздействию различных помех и в этих условиях не удается передать его с точностью выше 3–5 % (особенно если надо сделать это на большое расстояние). Для многих систем, предназначенных для дистанционного управления по радио, такая точность неприемлема, поэтому в настоящее время все большее распространение находят цифровые виды представления и передачи информации. Они позволяют обеспечить точность намного выше (практически любую требуемую).
В 1933 году В. А. Котельников доказал фундаментальную для теории и техники связи теорему (впоследствии названную его именем), которая объясняет, каким образом. можно при помощи дискретных способов представления информации передать непрерывное (аналоговое) сообщение без потери информационной содержательности. Вообще-то этот «фокус» математикам был известен значительно раньше (с 1915 г.), но заслуга Котельникова заключается в том, что он показал, как можно применить на практике «чистую» науку. Это открытие оказало существенное влияние на конструирование цифровых систем связи.
Ну а пока вернемся к радиопередатчикам. Чтобы понять, как работает любой из них, сначала мы познакомимся с типовыми узлами.
Сердцем любого передатчика является генератор несущей частоты — задающий генератор. Он преобразует энергию источника питания постоянного тока в ВЧ энергию переменного тока. От параметров этого узла во многом зависит качество всего устройства. Генератор должен стабильно работать при различных температурах. Температурный диапазон может быть весьма широким: от -40 до +60 °C (представьте, что капитан корабля пользуется радиостанцией вблизи берегов Антарктиды или на экваторе). Для оценки возможных изменений частоты ЗГ используют такой параметр, как относительная нестабильность частоты (за определенный интервал времени): Δf/f0, где Δf — максимальное отклонение частоты от номинального значения f0.
Высокочастотные, генераторы синусоидальных колебаний могут быть выполнены по одной из типовых схем, наиболее популярные из которых мы и рассмотрим.
Любой усилитель можно превратить в генератор, введя в него положительную обратную связь с выхода на вход. То есть сигнал с выхода на вход должен поступать без фазового сдвига или со сдвигом, кратным. 360 градусам. Тогда колебания будут «подстегивать» сами себя. В простейших схемах этого добиваются на нужной частоте за счет резонансных свойств индуктивно-емкостных цепей или RC-цепей. Величина сигнала обратной связи должна быть достаточной для поддержания колебаний в резонансном контуре путем компенсации имеющихся в нем потерь. Для этого Коэффициент усиления каскада (по току или напряжению) обязательно должен быть больше 1.
При построении многих схем (и не только генераторов) часто используются параллельный и последовательный колебательные контуры, рис. 12.3.
Рис. 12.3. Последовательный и параллельный контуры и их импеданс
Из приведенных графиков видно, что при резонансе последовательного контура сопротивление прохождению сигнала минимально, а в параллельном контуре — максимально.
Ну а теперь давайте рассмотрим конкретнее автогенераторы. В брелках для дистанционного управления режимом работы охранной сигнализации по радиоканалу наиболее часто используются схемы, приведенные на рис. 12.4.
Рис. 12.4. Простейшие LC-генераторы
В данном применении модулирующий сигнал — это кодовая последовательность импульсов, поступающих на базу транзистора (от микроконтроллера или другой специализированной микросхемы), рис. 12.4, а или же на питание каскада. На высоких частотах (300…450 МГц) катушку контура часто делают из проводников фольги прямо на печатной плате (она одновременно является и излучающей антенной). Работает такой передатчик тоже просто — импульсы, подаваемые на базу транзистора через резистор R1, то «включают» несущую, то «отключают» ее.
С некоторыми другими вариантами LC-генераторов мы c вами познакомимся на примере практических конструкций микромощных УКВ-передатчиков чуть позже. Такие генераторы работают на частотах до 400 МГц и применяются в простейших устройствах для передачи информации на небольшое расстояние, например для ретрансляции звукового сигнала, дистанционного управления игрушками, сигнализации и других.
Общим недостатком LC-генераторов является их невысокая стабильность частоты, обычно не лучше Δf/f0 = 10-3. Объясняется это тем, что на параметры элементов схемы влияют изменения температуры, а параметры транзистора зависят не только от температуры, но еще и от изменений напряжения питания (емкости переходов внутри транзистора подключены к колебательному контуру, а они меняются в зависимости от приложенного напряжения). Представьте, что при изменении температуры катушка будет менять свои размеры, а значит, и свою индуктивность. Но даже если использовать термостат для всего каскада, а также стабилизацию напряжения питания и режима работы транзистора, то все равно очень сложно получить стабильность частоты, близкую той, которую обеспечивают кварцевые резонаторы.
В настоящее время в эфире интенсивно работает множество передающих средств. Поэтому, чтобы мощные передатчики не мешали друг другу, к ним предъявляются жесткие требования по долговременной относительной нестабильности частоты. Она должна быть не хуже, чем 10-5…10-8. Проще всего обеспечить такие параметры, применив кварцевые резонаторы.
Кварцевые резонаторы имеют характеристики, очень похожие на характеристики электрических колебательных контуров, но с очень высокой добротностью (Q = 104…106) — у LC-контура добротность обычно не превышает 150…300. Еще одно отличие заключается в наличии двух видов резонансов: последовательного и параллельного, наблюдающихся у этого элемента на разных частотах, хотя и близких.
Эквивалентная схема кварцевого резонатора и изменение его полного сопротивления (импеданса) от частоты показаны на рис. 12.5.
Рис. 12.5. Эквивалентная схема кварцевого резонатора (а) и изменение его импеданса от частоты (б)
В небольших пределах частоту резонанса можно менять («затягивать») путем подключения конденсатора последовательно с кварцем (или параллельно — зависит от того, какой резонанс из двух возможных используется в схеме). Этот метод обычно применяют для получения частотной модуляции или более точной настройки частоты. Следует знать также, что отечественная промышленность, как правило, выпускает кварцевые резонаторы с основной рабочей частотой до 22 МГц, а более высокочастотные кварцы работают на своих гармониках. Это связано с устаревшей технологией обработки кварцевых пластин.
Зарубежные предприятия выпускают кварцы с основной частотой до 35 МГц, а у ведущих фирм частота первой гармоники достигает 250 МГц. При выборе для генератора таких элементов особое внимание следует обращать на добротность резонатора — чем она выше, тем стабильнее частота (и тем они дороже, к сожалению).
Существует много разновидностей схем кварцевых автогенераторов, но на практике на высоких частотах наиболее распространены два вида, в которых:
