Устройства генерирования, формирования, приема и обработки сигналов

 

УДК 621.396.6 
ББК 32.84 
      Г61 
 
 
Головин О. В. 

Г61           Устройства генерирования, формирования, приема и обработки 
сигналов. Учебное пособие для вузов. – М.: Горячая линия – Телеком, 
2012. – 783 с., ил. 

ISBN 978-5-9912-0196-4. 

Рассматриваются назначения, функции, свойства, основополагающие схемы радиоприемников и радиопередатчиков, представления о физических процессах, происходящих в них. Изложены принципы построения, схемотехнические решения и главные количественные соотношения устройств, являющиеся 
в основном общими как для радиопередатчиков, так и для радиоприемников.  
К таким устройствам, достаточно подробно рассмотренных в девяти разделах 
книги, относятся: усилители, генераторы, синтезаторы частот, преобразователи частоты, малошумящие усилители, модуляторы, детекторы. Помимо этого 
рассмотрены особенности построения, принципы действия и структурные 
схемы в целом радиоприемников и радиопередатчиков, применяемых в различных радиоэлектронных системах. 
Для студентов вузов и факультетов телекоммуникаций, бакалавров и магистров связи, будет полезна студентам радиотехнических специальностей, а 
также специалистам в области разработки и эксплуатации радиотехнических 
устройств. 
ББК 32.84 
 
Адрес издательства в Интернете WWW.TECHBOOK.RU 
 
 
Учебное издание 
 
Головин  Олег Валентинович 
 
УСТРОЙСТВА ГЕНЕРИРОВАНИЯ, ФОРМИРОВАНИЯ, 
ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ 
 
Компьютерная верстка  И. Н. Алексеевой 
Обложка художника  В. Г. Ситникова 
 
Подписано в печать 21.09.2011. 
Печать офсетная. Формат 70×100/16. Уч.-изд. л. 59,7. Тираж 500 экз. 
 
ISBN 978-5-9912-0196-4                                            ©  О.В. Головин, 2012 

© Издательство «Горячая линия – Телеком», 2012 

 

Предисловие 
 
Каналом радиосвязи называют совокупность технических средств и 
среды распространения (открытого пространства), в которой сигналы, отображающие передаваемую информацию, распространяются от ее источника             
к ее получателю. Сигналы от источника сообщения в системах радиосвязи и 
радиовещания вначале преобразуются в канале связи в электрический сигнал, 
изменяющийся соответственно этому сообщению, который управляет радиочастотными колебаниями. Эти колебания, называемые модулированными, 
несущие передаваемое сообщение, преобразуются в радиоволны и излучаются антенной в пространство. Формирование модулированного радиочастотного колебания подлежащего излучению, осуществляются в радиопередатчике. 
Для формирования этого колебания необходимо в радиопередатчике сформировать радиочастотное колебание несущей частоты, осуществить модуляцию этого колебания электрическим сигналом, отображающим передаваемое 
сообщение и для обеспечения необходимой выходной мощности, осуществить его усиление. Тогда, основные функции, возлагаемые на радиопередатчик – это генерирование несущего радиоколебания, его модуляция и усиление. Воспроизведение передаваемого сообщения осуществляется в устройстве воспроизведения радиоприемника, при воздействии на его антенну 
радиоволн, поступающих от антенны радиопередатчика. Радиоприемник 
осуществляет преобразование модулированных радиочастотных колебаний в 
электрический сигнал, отображающий переданное сообщение. При этом необходимо учитывать, что радиоприемник должен обеспечивать прием требуемого сигнала на фоне колебаний от всевозможных помех. Таким образом, 
в радиоприемнике необходимо обеспечить преобразование улавленного антенной сигнала, его фильтрацию от помех, усиление и детектирование. Все 
это говорит о том, что в радиопередатчике и радиоприемнике много общих 
функций, таких как усиление, генерирование колебаний, фильтрация, преобразование частоты и т. д. 
В данной книге рассматриваются устройства, являющиеся, в основном, 
общими как для радиопередатчиков, так и для радиоприемников, что полезно 
при проектировании, оптимизации и рассмотрении работы канала связи в целом; помимо этого анализируются специфические устройства, характерные 
для работы либо радиопередатчика, либо радиоприемника. В книге выделены 
девять разделов: в первом рассмотрена классификация радиоволн, предусматривающая разделение полного их диапазона на девять частных, особенности радиоканалов, функциональные схемы радиопередающих и радиоприемных устройств; во втором – принципы работы, схемы и методика анализа 
усилителей, физические процессы, происходящие при усилении гармонических и импульсных сигналов; в третьем – теория и схемы построения генераторов различных диапазонов радиоволн, методы синтеза и схемы синтезаторов частот; в четвертом и пятом – анализируются основы теории, схемотехника и методы расчета преобразователей частоты и малошумящих усили

Предисловие 

 

 

 

4 

телей, в шестом и седьмом – свойства, физические процессы, теоретические 
основы анализа и структурные схемы модуляторов и детекторов различных 
видов сигналов, в восьмом и девятом разделах  рассмотрены особенности построения, принципы действия и схемы в целом радиоприемников и радиопередатчиков, применяемых в различных радиоэлектронных системах. В этих 
разделах проанализированы также способы регулировок основных параметров, вопросы помехоустойчивости, применение микропроцессоров для контроля и управления работой радиоприемников и радиопередатчиков. Для 
обобщения основных положений материала, рассмотренных в каждом параграфе, каждый из них заканчивается подытоживающими выводами. При работе над рукописью книги был учтен многолетний опыт преподавания на кафедрах радиоприемных и радиопередающих устройств Московского Технического Университета Связи и Информатики. Автор считает, что книга будет 
полезна в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям «Средства связи с подвижными объектами» и «Радиосвязь, радиовещание и телевидение», бакалаврам и магистрам 
связи, а также специалистам в области разработки и эксплуатации радиотехнических устройств. 
Автор выражает глубокую признательность доцентам М.С. Шумилину 
и Э.А. Шевцову за предоставленные материалы для написания ряда параграфов данной книги.         
 

 
Раздел I. Каналы радиосвязи 
_____________________________________________________ 
 
 
 
1. ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О КАНАЛАХ СВЯЗИ 
 
 
1.1. Радиосвязь и ее значение для человечества 
 
Радиосвязь – один из видов информационной связи в человеческом обществе, понимаемой в широком смысле как обмен сообщениями. Под информацией понимается любая совокупность всевозможных сведений, передаваемых устно или письменно, непосредственно или с помощью различных вспомогательных 
средств. 
Сообщения 
представляют 
собой 
конкретную 
информацию, передаваемую в форме, доступной для восприятия теми, кому 
она предназначена. Носителями информации в процессах связи являются 
сигналы. В общем случае сигналами могут быть как передаваемые в сетях 
связи разного рода искусственные знаки, так и физические проявления естественных процессов. С помощью сигналов можно отобразить и передать 
сколь угодно большие и сложные сообщения. 
Связь в указанном выше понимании этого термина реализуется в современных государствах как одна из крупнейших отраслей хозяйственной 
деятельности и одна из совокупностей технических средств, обеспечивающая 
все виды информационных служб в системах, как государственного управления, так и массового обслуживания населения. 
Подлинное рождение человека на Земле произошло тогда, когда им 
было изобретено Слово – основа мышления, основа информационной связи 
между людьми, основа накопления опыта и знаний, т. е. основа развития интеллекта. За развитием речи последовало создание письменности, ставшей 
для человечества могучим средством культурного и технологического прогресса. Дальнейшее ускорение на пути прогресса было связано с изобретением и повсеместным распространением книгопечатания. Благодаря речи и 
письменности стала возможной связь на значительных расстояниях через 
пеших и конных гонцов, но оперативность и эффективность этого способа 
передачи сообщений во многих случаях оказывались недостаточными, как     
и в современной почте. В некоторой степени выручала оптическая сигнализация с помощью костров и факелов, а два столетия тому назад – с помощью 
изобретенного тогда «семафорного» телеграфа. 
Семафорная оптическая связь позволяла передавать сообщения небольшого объема, обслуживание ее было трудоемким, а надежность недостаточной; поэтому изобретение и широкое внедрение в XIX веке способов и 
устройств для передачи сообщений по проводам и кабелям – телеграфа и телефона стало подлинной революцией в средствах связи. Другим итогом науки 

Раздел I. Каналы радиосвязи 

 

 

 

6 

XIX века стало открытие электромагнитных волн. На этой основе стало возможным осуществление радио, эпохальное достижение цивилизации XX века.  
Радио – общий термин, применяемый к любым практически используемым частям спектра электромагнитных волн, называемым радиоволнами 
или волнами Герца; волн, распространяющихся через открытое пространство 
без искусственных направляющих средств, таких, как провода или трубы – 
волноводы. Ограничение области применения этого термина частью спектра 
необходимо по той причине, что свет, как известно, также представляет собой 
электромагнитные волны и, как уже отмечено выше, применяется для беспроводной связи, но в этом случае речь идет об оптической связи. К диапазону 
радиоволн относятся электромагнитные волны с любыми частотами ниже условной границы инфракрасного диапазона, за которую принимается 3⋅1012 Гц. 
Итак, слово, за ним – письменность, печать и связь – бесспорно величайшие открытия и изобретения человека, поскольку именно они сделали его 
человеком – творческим хозяином Земли, объединили «человеков» в человечество, открыли безграничную возможность накопления, развития и распространения опыта и знаний, обеспечили развитие материальной и духовной культуры. 
К концу XIX века земля покрылась густой сетью телеграфных и телефонных линий. С изобретением радиосвязи на рубеже XX столетия связь между людьми стала возможной без проводов, через любые преграды, в любое 
время, в любом месте и на любом расстоянии, в покое и в движении, и притом в текущем времени, практически мгновенной. Человек получил по существу новый орган чувств, немыслимый в прошлом: средство слышать и видеть в масштабах всего мира. 
 
 
1.2. Диапазоны радиоволн 
 
Как уже было отмечено в § 1.1, радиоволнами считаются и применяются в технике радиосвязи электромагнитные волны с любыми частотами очень 
широкого диапазона. Для радиоволн в терминологии, принятой на международной основе, установлена лишь верхняя граница частоты, отделяющая их 
от инфракрасных световых излучений: 3⋅1012 Гц. 
В конкретных системах и устройствах связи в зависимости от их назначения применяются лишь ограниченные участки диапазона радиоволн. Это 
необходимо по ряду причин, в числе которых, как наиболее важные, должны 
быть отмечены следующие: 
1. Открытое распространение радиоволн от многих источников в общем пространстве приводит к их наложению друг на друга и в результате        
в пункт приема приходит сложная смесь радиоволн. Для выделения волн от 
требуемого корреспондента необходимо, чтобы приходящие от него волны 
существенно отличались от волн посторонних источников. Основным признаком, позволяющим выделить посредством не очень сложных технических 
средств нужные радиосигналы, служат частота и соответствующая длина волн. 

1. Представления о каналах связи 

 
 

 

7 

Частотное разделение систем и устройств радиосвязи – первый и один 
из главных путей обеспечения многим корреспондентам возможности пользования радиосвязью без взаимных помех. Речь идет об обеспечении электромагнитной совместимости радиосредств, и частотное разделение – один 
из главных путей решения этой задачи. 
2. Условия прохождения радиоволн в широком диапазоне радиочастот 
над поверхностью Земли и через атмосферу в разных географических регионах, в разное время года и суток очень различны. Поэтому для конкретных 
линий радиосвязи различного назначения и разной дальности приходится выбирать такие участки диапазона, в которых эти условия именно для них наиболее благоприятны. 
3. Приходится учитывать, что системы радиосвязи разного назначения 
требуют для передачи информации в диапазоне радиочастот выделения им 
участков этого диапазона (полос радиочастот) очень сильно различающейся 
ширины. Это объясняется прежде всего неодинаковой шириной частотных 
спектров электрических сигналов, переносящих сообщения разного характера. 
Так, например, спектры передаваемых телеграфных сигналов могут иметь 
ширину в десятки и сотни герц; спектры речи и музыки имеют ширину порядка нескольких килогерц; спектры сигналов телевизионного изображения               
в тысячи раз шире. 
4. Радиоволны могут распространяться далеко за пределы использующей их страны. Чтобы обеспечить всем странам возможность применять радиосвязь без взаимных помех, диапазон радиочастот разделяется не только                    
с учетом упомянутых выше факторов, но и между различными странами,            
а также между различными ведомствами. 
По перечисленным, а также и по другим подобным соображениям 
удобно и даже необходимо иметь четкую классификацию радиоволн, которая 
служит основой для их распределения между различными службами и потребителями. Такая классификация принята на международной основе и предусматривает разделение полного диапазона радиочастот и волн на девять частичных диапазонов с номерами от 4 до 12. Ввиду очень широких пределов 
количественных значений радиочастот, при указании границ отдельных диапазонов применяются префиксы и сокращенные обозначения, характеризующие порядок их количественных значений: кило (к) – 103, мега (М) – 106,         
гига (Г) – 109 и тера (Т) – 1012. 
Приняты и применяются следующие пределы и условные обозначения 
диапазонов: 
№ 4 – мириаметровые волны и очень низкие частоты (ОНЧ) – от 3 до       
30 кГц; 
№ 5 – километровые волны и низкие частоты (НЧ) – от 30 до 300 кГц;  
№ 6 – гектометровые волны и средние частоты (СЧ) – от 300 до 3000 кГц; 
№ 7 – декаметровые волны и высокие частоты (ВЧ) – от 3 до 30 МГц; 
№ 8 – метровые волны и очень высокие частоты (ОВЧ) – от 30 до             
300 МГц; 

Раздел I. Каналы радиосвязи 

 

 

 

8 

№ 9 – дециметровые волны и ультравысокие частоты (УВЧ) – от 300 до 
3000 МГц; 
№ 10 – сантиметровые волны и сверхвысокие частоты (СВЧ) – от 3 до 
30 ГГц; 
№ 11 – миллиметровые волны и крайне высокие частоты (КВЧ) – от 30 
до 300 ГГц; 
№ 12 – децимиллиметровые волны и гипервысокие частоты (ГВЧ) – от 
300 до 3000 ГГц (иначе – до 3 ТГц). 
В радиоаппаратуре для получения и выделения колебаний радиочастоты с первых лет XX века применялись преимущественно резонансные цепи 
из индуктивных катушек и конденсаторов, а по мере освоения диапазонов             
№ 9–12 для тех же целей потребовались иные конструкции: преимущественно в виде коротких отрезков проводных линий, металлических полосок, коробчатых объемных резонаторов и волноводов. Чтобы отметить особенность 
этих диапазонов, они часто объединяются термином «микроволны». Соответственно применяются термины «микроволновые радиосистемы», «микроволновая аппаратура» и т.п. 
 
 
1.3. Каналы радиосвязи 
 
Каналом связи в общем случае называется совокупность технических 
средств и физической среды, в которой сигналы, отображающие передаваемую 
информацию, распространяются от ее источника к ее получателю. Каналы связи могут различаться в зависимости от формы передаваемой информации; например, они могут быть телеграфными, телефонными, телевизион-ными и др. 
Поскольку в случае канала радиосвязи средой распространения служит 
открытое пространство, структурная схема канала связи этого вида имеет вид 
рис. 1.1. Здесь 1 – источник сообщения, 2 – преобразователь сообщения (ПС) 
в сигнал и цепи связи этого преобразователя с радиооборудованием устройства ПС, 3 – радиопередатчик, 4, 6 – антенна, 5 – пространство распространения радиоволн, 7 – радиоприемник, 8 – цепи связи радиоприемного устройства с последующими цепями и устройствами и преобразователь сигнала                 
в сообщение, воспроизводящее устройство, 9 – получатель сообщения. 
Между источником 1 и получателем 9 последовательность участков 
типа 2–8 может быть как однократной, так и повторяющейся в аналогичном 
или разном исполнении. Многократное последовательное повторение подобных участков имеет место, например, в каналах радиорелейной связи. 
 

 
 
Рис. 1.1 

1. Представления о каналах связи 

 
 

 

9 

В составе цепей связи в звеньях 2 и 8 могут содержаться проводные 
или кабельные соединительные линии, усилители и преобразователи сигналов, группирователи сигналов от разных источников и разделители их для 
разных получателей, коммутаторы, интерфейсы и различные другие устройства. 
Как в линии связи вообще (например в кабельной телефонной связи), 
так и в линии радиосвязи обычно образуются параллельные каналы с описанной структурой для прямого и обратного направлений. В конечных пунктах 
линий совмещаются преобразователи сообщений в сигналы и преобразователи сигналов в сообщения. 
Таким образом любое передаваемое на расстояние сообщение в канале 
связи вначале преобразуется в электрический сигнал, изменяющийся соответственно этому сообщению. Непосредственно, без проводов, этот сигнал не 
может быть передан получателю. Поэтому в системах радиосвязи и радиовещания электрический сигнал управляет радиочастотными колебаниями. Эти 
колебания, несущие передаваемое сообщение и называемые модулированными, преобразуются в радиоволны, распространяющиеся в пространстве без 
специальных направляющих систем (проводов или волноводов). При модуляции один или несколько параметров несущего колебания изменяется в соответствии с изменением параметров передаваемого сигнала. Вид модуляции 
определяется типом изменяемого параметра несущего колебания. 
Формирование 
радиочастотного 
колебания, 
подлежащего 
излучению, 
осуществляется 
в 
радиопередающем 
устройстве РПдУ, функциональная схема которого показана на рис. 1.2. Передаваемый сигнал от устройства ПС, преобразующего сообщение от его источника в сигнал, подается на один из входов 
специального устройства, называемого 
модулятором. На другой вход модулятора подается радиочастотное колебание 
несущей частоты от автогенератора. 

 

 
 
Рис. 1.2 

На выходе модулятора формируется промодулированное радиочастотное РЧ колебание, несущее в себе передаваемое сообщение; РЧ колебание 
излучается антенной в свободное пространство. Для получения требуемой 
мощности на выходе передатчика модулирующий сигнал, колебание от автогенератора и модулированное РЧ колебание, как правило, подлежат усилению. Чтобы уровень побочных составляющих в антенне передатчика не превышал допустимых, не его выходе устанавливают выходную фильтрующую 
систему. Модуляция может осуществляться в одном из каскадов усиления РЧ 
колебания, в ряде передатчиков модулирующий сигнал воздействует непосредственно на автогенератор. 

Раздел I. Каналы радиосвязи 

 

 

 

10 

Из сказанного следует, что к основным функциям РПдУ можно отнести: 1) преобразование сообщения от его источника в сигнал; 2) формирование модулированного РЧ колебания, несущего передаваемое сообщение;                
3) преобразование РЧ колебания в радиоволны и осуществление их излучения. Первая функция реализуется устройством ПС; вторая собственно радиопередатчиком, обеспечивающим генерирование РЧ колебания, его модуляцию, а также необходимые усиление и фильтрацию; третья – антенной. 
Назначение радиоприемного устройства (далее РПУ) – обеспечить 
воспроизведение передаваемого сообщения при воздействии на него радиоволн, поступающих от радиопередающего устройства. Сообщение воспроизводится в РПУ на основе той информации, которая заключена в модулированном 
колебании. Поэтому в РПУ необходимо осуществить преобразование принятого колебания. Современное РПУ должно обеспечить прием нужного сигнала на 
фоне колебаний от всевозможных посторонних источников, называемых помехами. При этом мощность помех, действующих на РПУ, может превышать 
мощность требуемого сигнала в миллионы раз, что затрудняет его прием. 
Основные функции РПУ: 1) улавливание радиоволн; 2) преобразование 
принятого радиочастотного колебания в напряжение или ток, изменяющиеся 
в соответствии с принятым сообщением (для этого необходимо осуществить 
фильтрацию сигнала от помех, его усиление и детектирование); 3) воспроизведение переданного сообщения в виде звука, изображения на экране, записи 
текста и тому подобное. 
Основные функции РПУ определяют и его составные элементы: антенну, собственно радиоприемник и воспроизводящее устройство. В простейшем, но и наиболее распространенном случае РПУ содержит одну антенну                 
и один приемник. Для этого случая, который называется одинарным приемом 
(одноканальное РПУ), структурная схема представлена на рис. 1.3. 
Антенна улавливает радиоволны и преобразует энергию радиоволн          
в энергию тока той же частоты. Радиоприемник осуществляет преобразование модулированных радиочастотных колебаний в электрический сигнал, 
отображающий передаваемое сообщение. Часть радиоприемника от его входа 
до детектора называется радиотрактом. Так как уровень полезного колебания на входе приемника, как правило, мал, то одной из основных функций 
радиотракта является усиление этого колебания до уровня, необходимого для 
нормальной работы детектора.  
 

 
 
Рис. 1.3