Быстродействующие радиопередача и радиоприем

Быстродействующие радиопередача и радиоприем

БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ РАДИОПЕРЕДАЧА И РАДИОПРИЕМ, передача и прием сигналов в радиотелеграфе с помощью автоматически действующих телеграфных аппаратов со скоростями, недоступными для слухового приема, т. е. выше 30 слов в минуту. Быстродействующие радиопередача и радиоприем - одно из важнейших достижений современной радиотехники - нашли применение в радиотелеграфе: 1) для повышения пропускной способности радиосвязи, что дает возможность понизить радиотелеграфные тарифы; 2) в целях более продуктивного использования для обмена тех непродолжительных периодов за сутки (у нас летом), когда сила атмосферных разрядов значительно падает; 3) как средство для рационализации эксплуатационной службы радиотелеграфа. Задача использовать телеграфные аппараты в радиотелеграфе получила практически удовлетворительное решение лишь после проникновения в радиотехнику электронных ламп. При современных возможностях радиотехники решение этой задачи наибольшие трудности встречает в части радиоприема, а потому возможности радиоприема и фиксируют общие достижения быстродействующих радиопередачи и радиоприема.

Быстродействующая радиопередача обычно производится телеграфными трансмиттерами Уитстона или Крида; последний является усовершенствованием первого, а потому он постепенно заменяет собой в эксплуатации трансмиттер Уитстона. Контакты трансмиттера включаются или в местную цепь мощного реле, которое рвет генераторный контур, или цепь питания передатчика, или в цепь, воздействующую на сетку специальной лампы, управляющей излучением передатчика, без посредства реле и заменяющей это последнее. Первый способ требует применения специальных реле; однако эти реле (например, реле Крида, разработанное для манипуляционной мощности 300 kW) в эксплуатации оказываются сложными, а потому мало рациональными. В последнее время нашли применение более совершенные и конструктивно более простые реле, меньшей мощности, управляющие излучением передатчика с помощью специальных электрических устройств. В Германии фирма Телефункен для этих целей использует манипуляционный дроссель системы Осноса (фиг. 1), принцип действия которого заключается в том, что постоянный ток в цепи реле, подмагничивая сердечник дросселя, вызывает расстройку в цепи высокой частоты машины.

Манипуляционный дроссель системы Осноса

Аналогичное устройство, называемое «магнитным модулятором», применяется в машинных передатчиках в Америке. В магнитном модуляторе (фиг. 2) расстройка получается в контуре, связанном с антенной и поглощающем энергию из последней при разомкнутом ключе.

Магнитный модулятор

В ламповых передатчиках конструкция реле может быть еще проще, так как излучением передатчика можно управлять с помощью реле, воздействующего на цепь сетки, в которой мощности вообще невелики. Однако, в виду некоторых трудностей получения отчетливой работы, особенно при больших мощностях (свыше 20 kW) и больших скоростях, в некоторых ламповых передатчиках (например, Маркони) используется метод манипуляции с помощью расстройки в промежуточном контуре. В мощных ламповых передатчиках (например, Регби, Англия, 500 kW), составленных по схеме независимого возбуждения с рядом каскадов мощного усиления, манипуляция производится одновременно в нескольких местах схемы (например, в передатчике Регби - в трех местах: в независимом генераторе и в двух промежуточных каскадах усиления на расстройку). В быстродействующих коротковолновых передатчиках манипуляция осложняется тем, что она д. б. увязана с устойчивостью волны излучения при работе ключом. Обычно здесь она осуществляется или методами расстройки или помощью специальной абсорбирующей лампы, на которую переводится нагрузка промежуточного каскада усиления при паузах между сигналами. На фиг. 3 показано такое устройство в передатчиках К0 Маркони.

Передатчик Маркони

Быстродействующий радиоприем для своего осуществления требует: 1) значительного усиления принятых сигналов и 2) трансформирования принятых сигналов с высокой или низкой частоты в свой первоначальный вид, какой они имели в цепи трансмиттера в месте радиопередачи. Для второй цели служат выпрямительные схемы, которые трансформируют токи низкой (или высокой) частоты сигнала путем выпрямления и сглаживания их в токи пульсирующие, в результате чего к ресиверу сигналы подводятся в таком же виде, в каком они получаются с линии в проволочном телеграфе. Требуемая степень усиления сигналов зависит: 1) от силы принимаемых сигналов, 2) от скорости работы и 3) от чувствительности применяемой схемы выпрямителя.

Усилительная установка для быстродействующего радиоприема должна: 1) иметь большую избирательность, но не в ущерб отчетливой работе, 2) быть безусловно устойчивой в работе. Усилительная часть установки обычно содержит в себе: 1) ряд настроенных каскадов высокой частоты (3—4), которым предшествует несколько избирательных контуров; 2) гетеродин для получения биений на низкой частоте; 3) фильтры низкой частоты; 4) один-два каскада усиления низкой частоты. Некоторое распространение нашли схемы многократного гетеродинирования с усилением на промежуточных частотах, особенно для приема коротких волн.

Чувствительность выпрямителя может быть определена крутизной его статической характеристики. Задача выпрямления сигналов в быстродействующем радиоприеме решена несколькими путями. Простейшей выпрямительной схемой является схема (фиг. 4) с использованием нижнего перегиба анодной характеристики лампы. Выбор лампы определяется чувствительностью реле.

Простейшая выпрямительная схема

При реле, которые работают от тока силы 1—2 mА, применяются обычные приемные электронные лампы (например, лампы микро). Для реле менее чувствительных применяются лампы с большей эмиссией или две в параллель, которые дают суммарный эффект. Недостатки этой схемы: 1) малая чувствительность требует очень значительных предварительных усилений, что для условий идеальной стабильности усилителя вызывает некоторые осложнения; 2) трудность получения формы сигнала, требуемой для отчетливого радиоприема с очень большими скоростями. По этим причинам в технике радиоприема стали находить применение более сложные, но более совершенные схемы выпрямителей. На фиг. 5 показана схема с каскадным включением ламп, значительно более чувствительная, чем схема, показанная на фиг. 4.

Схема с каскадным включением ламп

Это видно из фиг. 6, где кривая I изображает статическую характеристику выпрямителя по схеме фиг. 4, кривая II - то же для двух ламп в параллель и кривая III - для двух ламп по схеме фиг. 5.

bystr radio 6

Все характеристики относятся к случаю применения ламп микро при анодном напряжении 80 V. На фиг. 7 приведена схема с 3 каскадами. Эта схема, помимо своей чувствительности (кривая IV фиг. 6), замечательна также тем, что она является ограничительной для сигналов. Это видно из характера кривой IV фиг. 6.

Схема с 3 каскадами

Ограничивающее действие обусловливает лампа 2 (фиг. 7); при действии сигнала возрастающий ток в анодной цепи лампы 1 через сопротивление R1 задает на сетку лампы 2 отрицательное напряжение, вызывающее спадание анодного тока лампы 2 к нулю. После того как ток в аноде лампы 2 достиг нуля, дальнейшее увеличение напряжения от сигнала не дает никакого эффекта. Если чувствительность реле велика, то можно ограничиться использованием только первых двух ламп, включив реле вместо сопротивления R2; в этом случае реле должно работать на спадание тока. Аналогичная по действию схема с использованием в первом каскаде двухсеточной лампы показана на фиг. 8.

Схема с использованием в первом каскаде двухсеточной лампы

Характеристика этой схемы (кривая V на фиг. 6) значительно круче характеристики схемы фиг. 7 при применении в ней только 2 ламп (кривая III, пунктир). Схемы, работающие на спадание, для получения того же эффекта, который дают схемы, работающие на возрастание тока, требуют повышенного анодного напряжения (на фиг. 6 кривые V и III даны для анодного напряжения в 160 V). В схемах выпрямителей с генераторным режимом (фиг. 9) для воздействия на реле используются срывы и возникновения колебаний.

Схема выпрямителя с генераторным режимом

На фиг. 6 показана для сравнения характеристика такого устройства (кривая VI). Преимущества этих схем: 1) большая чувствительность, 2) ограничительное действие. Основной недостаток - осложнения, вызываемые мероприятиями для ликвидации колебательного гистерезиса. Размеры колебательного гистерезиса для приемных ламп показаны на кривых фиг. 10.

Размеры колебательного гистерезиса для приемных ламп

Для борьбы с гистерезисом, кроме способа Тернера, который применяет в схеме фиг. 9 в анодной цепи звуковой прерыватель, имеются предложения Куксенко, показанные в схемах фиг. 11 и 12.

bystr radio 11

В первой схеме гистерезис уменьшен до минимума тем, что срывы колебаний вызываются воздействием на колебательный контур анодного сопротивления, уменьшающегося при приеме сигнала. Во второй схеме контур I (при соответствующем расчете его) получает возможность возникновения генерации только при действии напряжения от сигнала на контур II, связанный и настроенный в резонанс с первым.

bystr radio 12

1-я схема работает на спадание, 2-я – на возрастание тока. Схемы генерирующих выпрямителей пока еще не получили распространения, в виду неоднородности электронных ламп, выпускаемых на рынок, но за ними большое будущее.

При применении неполяризованных реле двусторонний ток может быть получен от любой из приведенных схем, если в анодной цепи последней лампы применить соединения, показанные на схеме (фиг. 13).

При применении неполяризованных реле двусторонний ток может быть получен от любой из приведенных схем, если в анодной цепи последней лампы применить соединения, показанные на схеме

Здесь вспомогательная батарея Б2 при отсутствии тока через анод-нить (пауза) посылает через реле ток обратного направления; с помощью сопротивления R этот ток м. б. подобран равным току обратного направления при сигнале. На фиг. 14 показана характеристика такого устройства (до смещения - кривая I, после смещения - кривая II).

bystr radio 14

Неполяризованное реле с 2 обмотками может работать от схемы фиг. 7, если одну обмотку включить последовательно с сопротивлением R2 в анодную цепь 2-й лампы, а другую - в анодную цепь 3-й лампы. Равенство токов можно подобрать, изменяя или сопротивление R2, или напряжение батареи БСЗ. При выносе выпрямительного устройства в центр (радиоузел), питание всех его цепей м. б. осуществлено от сети постоянного тока, питающей моторы и местные цепи аппаратов. На фиг. 15 для примера показана наиболее сложная схема выпрямителя (фиг. 7) с централизованным питанием от цепи постоянного тока в 220 V. Централизованное питание м. б. осуществлено и от цепи переменного тока с применением кенотрона.

Схема выпрямителя с централизованным питанием от цепи постоянного тока в 220 V

Скорость быстродействующих радиопередачи и радиоприема. Один из важнейших вопросов в быстродействующих радиопередаче и радиоприеме - сохранение формы сигналов неискаженной при прохождении их через различные цепи аппаратов. В своем первоначальном виде сигналы имеют форму, показанную на фиг. 16 для буквы «а».

В своем первоначальном виде сигналы имеют форму, показанную для буквы «а»

Кривая такого вида с прямоугольной огибающей м. б. разложена анализом Фурье, для случая передачи точек, на ряд составляющих гармонических частот:

bystr radio 17

Здесь w = 2πF; F - частота точек 1/2T, где Т - продолжительность точки в сек.; пауза между сигналами также равна Т. Для сигналов, состоящих из точек и тире, получается спектр составляющих частот. На фиг. 17 показан спектр для буквы «а» (при T= 0,02 сек.  и w= 62 слова в 1 мин.).

Спектр для буквы «а»

Зависимость между Т и скоростью передачи w, выражаемой числом слов в минуту (считая за стандартное слово «Paris», состоящее из 5 букв, продолжительностью каждая в среднем 8Т), определяется уравнением

bystr radio 19

откуда F = w/2,5 пер./сек.

bystr radio 20

Для хорошей различаемости точек и тире необходимо, чтобы для приема в неискаженном виде сохранилась частота, равная утроенной основной F = 3/2Т.В цепях реле передатчика искажения мало существенны и могут вызвать только некоторое опоздание начала и конца сигнала. Более существенны явления в цепях высокой частоты передатчика и приемника при манипуляции. Ток в контурах высокой частоты при действии сигналов с прямоугольной огибающей получает свое максимальное значение не сразу, а нарастает согласно уравнению

bystr radio 21

и спадает согласно уравнению             

bystr radio 22

где w0 = 2πf, τ - постоянная времени в сек., равная

bystr radio 23

где δ - логарифмический декремент цепи, f - принимаемая частота, L и R - самоиндукция и сопротивление контура. Для отчетливого приема (и передачи)

bystr radio 24

или

bystr radio 25

Пограничное условие для возможности приема:

bystr radio 26

или

bystr radio 27

Таким образом скорость приема и передачи зависит от декремента и длины волны bystr radio 28 Предельная скорость приема слов в минуту:

bystr radio 29

Т. о. передачу и прием по радио можно вести с тем большей скоростью, чем короче волна и больше затухание контуров. В части передачи увеличивать затухание не рационально, т. к. это приводит к бесполезным потерям в контурах передатчика. На фиг. 18 показана осциллограмма манипуляции (одновременно в двух промежуточных контурах) радиостанции Регби на λ = 18750 м при w = 40 словам в мин.

Осциллограмма манипуляции (одновременно в двух промежуточных контурах) радиостанции Регби

Увеличение δ при увеличении скорости приема приводит к понижению избирательности приема.

Избирательность. При современных условиях развития радиосвязи, а также в целях большей свободы от действия на прием атмосферных разрядов, избирательность приема д. б. по возможности наибольшей; увеличение избирательности уменьшает вероятность помех. Поэтому для реализации наилучших условий приема, эти два противоположные по смыслу требования должны получить компромиссное решение. Избирательность лучше всего определяется полосой пропускаемых частот Ω. При работе ключом антенна передатчика излучает спектр частот

bystr radio 31

где n = 1, 3, 5 и т. д. На фиг. 19 показаны величины напряжения при различных n.

bystr radio 32

Для отчетливого приема необходимо, чтобы

bystr radio 33

Откуда

bystr radio 34

а, следовательно, требуемая полоса частот Ω = 2,4∙w. Полоса частот для пограничного случая приема, когда δ∙f∙Т = 2, определится следующим образом:

bystr radio 35

где f1 и f2 - предельные частоты, принимаемые контуром, k = Ir/I1, Ir- ток при резонансе, I1 - при f1, следовательно

bystr radio 36

Полагая, что при I= 0,71∙Ir, т. е. при k2 = 2, все слагаемые частоты практически передаются контуром одинаково хорошо, имеем Ω = 0,51∙w. При приеме с большими скоростями требуется безусловное отсутствие мешающего действия других станций. Посторонняя станция не мешает приему, если ток, создаваемый ею в приемном контуре, не более 0,1∙Ir корреспондирующей станции. Таким образом Ω1, занимаемая принимаемой станцией, для предельного случая равна 5,1w, для случая отчетливого приема – 24w. Для сужения Ω1 используют несколько контуров, слабо связанных между собой. Резонансная кривая нескольких контуров уже, но вершина ее менее заострена. Это происходит благодаря влиянию одной цепи на другую, которое максимально при резонансе всех контуров. Для 3—4 контуров имеющих каждый допустимо низкий δ, Ω1 для предельного случая приблизительно = w1, для отчетливого приема Ω = 3w. Применение нескольких контуров высокой частоты все же не дает избирательности, допускающей прием без искажений, в виду трудности изготовления контуров с низким логарифмическим декрементом затухания δ; получить избирательность на высокой частоте (несколько контуров) полосой Ω меньше 1000 циклов в сек., не прибегая к очень дорогим устройствам, обычно трудно. Получить требуемые избирательности на высокой частоте удается лишь при применении кварцевых кристаллов. Значительно проще избирательность достигается путем применения тональных фильтров, составленных по схемам в виде ячеек или в виде нескольких (2—3) настроенных усилительных каскадов и рассчитанных на пропускаемость указанных выше полос частот.

Прочие факторы, влияющие на быстродействующий радиоприем. В цепях выпрямителей постоянный ток также нарастает по закону

В цепях выпрямителей постоянный ток также нарастает по закону

и спадает по закону

В цепях выпрямителей постоянный ток спадает по закону

где τ - постоянная времени цепи; в течение промежутка времени t = τ сила тока возрастает на 63% от своего конечного значения. Для отчетливого приема необходимо, чтобы Т = З∙τ. В анодных цепях выпрямителя с включенной обмоткой реле, имеющей самоиндукцию L и сопротивление R, bystr radio 39 ток нарастает быстрее, если обмотку реле зашунтировать конденсатором емкостью С. Для этого случая ток в анодной цепи выпрямителя

bystr radio 40

где

bystr radio 41

А1 и А2 для нарастания тока имеют значения

bystr radio 42

Для спадания тока А2 меняет знак, А1 остается без изменений. Величина емкости конденсатора, шунтирующего реле для получения наибольшей скорости нарастания и спадания тока, определяется из уравнения:

bystr radio 43

Для уменьшения влияния атмосферных разрядов на реле выгодно, чтобы нарастание тока сигналов в выпрямителе было допустимо медленнее для данных скоростей. Для изменения скорости нарастания сигналов конденсаторы, включенные параллельно обмоткам электромагнитов реле, а также во всех цепях многокаскадного выпрямителя параллельно анодным сопротивлениям, рационально иметь переменными. В случае применения выпрямителей с ограничительным действием оказывается возможным работать с большими τ и большей избирательностью (f∙δ∙T= 1,5). В местных цепях телеграфных аппаратов, работающих от реле, τ = L/R, где Lи R - самоиндукция и сопротивление обмоток аппаратов. Рационально для уменьшения τ включать последовательно в цепь дополнительные сопротивления R­1. На фиг. 20 показана зависимость между 3τ и R1 для обмотки с L= 3,5Н и R = 300 Ω; τ станет еще меньше, если R1 зашунтировать емкостью.

bystr radio 44

На фиг. 21 показана зависимость 3τ от С при R1 = 700 Ω для того же примера; τ уменьшится также, если обмотки аппарата зашунтировать емкостью.

bystr radio 45

Для тушения искры контакта реле рационально зашунтировать конденсатором с последовательно включенным сопротивлением R2; в этом случае, при размыкании реле, когда bystr radio 46

bystr radio 47

Так как в местных цепях реле сигналы могут получить большие искажения, чем в цепях выпрямителя, то весьма рационально, если электромагнитная система аппарата это допускает, работать без посредства реле, включая обмотки аппарата прямо в анодную цепь выпрямительной лампы. Т. к. для получения оптимального эффекта в выпрямительной цепи полное сопротивление обмоток Z д. б. равно ~ 0,2 Ri лампы, то работу без посредства реле можно получить от ресивера Уитстона при наличии выпрямленного тока от сигнала порядка 8—10 mА. Без реле может работать большинство ондуляторных аппаратов при выпрямленном токе от 3—10 mА. На фиг. 22 показаны осциллограммы приема по трем разным методам на ресивер Уитстона:

Осциллограммы приема по трем разным методам на ресивер Уитстона

1 - ресивер в цепи реле, w = 60 слов в 1 мин.; 2 - ресивер в цепи выпрямителя, w = 100 слов в 1 мин.; 3 - ресивер в цепи выпрямителя с ограничением, работающим на спадание, w = 100 слов в 1 мин. Осциллограммы показывают рациональность работы без реле.

Быстродействующий радиоприем встречает тем меньше стесняющих факторов, чем короче волна, по двум причинам: 1) чем короче волна, тем больше радиостанций может работать не мешая друг другу при меньшей избирательности приема, а, следовательно, с большей скоростью: при постоянстве Ω постоянно и bystr radio 49 где λ1 и λ2 - длины волн, соответственно частотам f1 и f2 в полосе частот Ω; 2) чем короче волна, тем меньше действие атмосферных разрядов.

Установлено, что результаты, получаемые при приеме различных длин волн, идентичны при постоянстве E/λw, где Е - сила поля принимаемой станции. Под идентичными условиями приема понимается одинаковость числа ошибок в % при данных атмосферных условиях.

Надежность приема обычно определяется отношением силы сигнала к силе атмосферных разрядов:

Надежность приема обычно определяется отношением силы сигнала к силе атмосферных разрядов

где w = 2πf, А - амплитудное значение кривой атмосферного разряда, р - время от начала до конца действия атмосферного разряда. На фиг. 23 дана зависимость между ES/Ea и f∙δ∙Т при прочих постоянных.

bystr radio 51

Для выпрямленных сигналов та же зависимость определяется уравнением

bystr radio 52

При постоянстве bystr radio 53 Быстродействующий радиоприем вообще возможен при ES/Ea> 1. Увеличение ES/Ea при увеличении wобъясняется: 1) меньшим энергетическим эффектом точки при приеме, 2) более чувствительной регулировкой реле, реагирующей на малейшее искажение сигналов. При проектировании радиопередатчика для быстродействующей радиосвязи обычно нужно исходить из величины средней ES/Ea в месте приема. Для центрального района Союза ССР, для надежного приема со скоростями 100 слов, ES, для зимнего времени должно быть порядка 100—150 µV/м, для летнего времени 200—300 µV/м.

Короткие волны для быстродействующего радиоприема, обладая большими преимуществами в отношении атмосферных разрядов, имеют следующие недостатки. 1) Трудность поддержания требуемого постоянства длины волны. В длинноволновой связи изменение тона Δс принимаемых сигналов допускается в пределах ±20 циклов в секунду. Большинство длинноволновых коммерческих радиостанций имеет гораздо большее постоянство длины волны. Для коротких волн положение осложняется, так как с∙Δс = f∙Δf где Δf - изменение частоты, которое соответствует изменению тона Δс; для высокой избирательности приема Δс допустимо равным 3%, для коротких волн с менее избирательным приемом Δс допустимо равным 6—8%. 2) Замирание сигналов выражено в коротковолновом приеме очень резко. Полностью преодолеть это явление пока не удалось, но удалось значительно понизить эффект замирания сигналов, на прием путем применения направленной передачи и приема («бим-система» Маркони). С помощью «бим-системы» Маркони удалось установить коммерческую связь со скоростью 100 слов в 1 минуту между Англией, с одной стороны, и Австралией, Канадой, южной Африкой и Индией - с другой.

В современном радиоприеме нашли широкое использование гл. обр. ондуляторные телеграфные аппараты различных систем. Ондуляторные аппараты для радиотелеграфа имеют то преимущество, что они позволяют при навыке распознать искаженный сигнал. На некоторых линиях коротких и с большой нагрузкой нашли применение буквопечатающие аппараты Крида. Эксплуатация аппаратов Крида в радиосвязи выявила следующие их преимущества перед другими буквопечатающими аппаратами: 1) возможность контроля приема ондулятором, включенным параллельно ресиверу Крида; при контроле ондулятором возможно правильное чтение сигналов при их искажении до 40%; 2) отсутствие необходимости в точном синхронизме; при скорости в 100 слов ресивер Крида допускает для приема без искажения разницу в скоростях до 30% между трансмиттером и ресивером; легкость установления синхронизма ресивера 2) путем изменения скорости мотора, благодаря наличию наглядных признаков установления синхронизма при приеме сигналов; 4) возможность быстрого перехода с автоматического радиоприема на слуховой в виду того, что ресивер Крида работает от сигналов, передаваемых кодом Морзе.

Ленты записи близ Москвы со скоростью 100 слов радиостанции Онгер («GLO»), близ Лондона, на аппарате Крида

На фиг. 24 показаны ленты записи близ Москвы со скоростью 100 слов радиостанции Онгер («GLO»), близ Лондона, на аппарате Крида: 1 - отпечатанная депеша; 2 - перфорированная лента, принятая на ресивер; 3 - контрольная лента приема на ондулятор. На фиг. 25 показан прием близ Москвы американской радиостанции «WSS».

Прием близ Москвы американской радиостанции «WSS»

Совершенно новые перспективы перед быстродействующими радиопередачей и радиоприемом открывает метод передачи депеш фотографическим способом.

В настоящее время быстродействующие радиопередача и радиоприем получили очень широкое распространение: почти все радиолинии Западной Европы и Америки работают быстродействующими аппаратами. У нас коммерческая быстродействующая радиосвязь налажена Наркомпочтелем на линиях: Москва—Берлин, Москва—Вена, Детское Село—Лондон, Москва—Харьков, Москва— Тифлис. В ближайшее время предполагается все вновь строящиеся Государственным электротехническим трестом заводов слабого тока для Наркомпочтеля радиостанции оборудовать аппаратами быстродействующей радиопередачей и радиоприемом.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 3 - 1928 г.