ЛЕКЦИЯ 3 ПЭ-8.10.2014г


ЛЕКЦИЯ № 3-ПЭот 8.10.2014 г. (22.10.2014 г.)
1.Модуляция : виды и применение в каналах, включая каналы ВЧ связи по ЛЭП.
2. Демодуляция
3. Канал ВЧ связи по ЛЭП
Модуляция
Модуляцией называется изменение во времени одного или нескольких параметров ВЧ колебания в соответствии с законом изменения передаваемого НЧ сообщения.
Ранее отмечено, что передача по радиоканалу первичного НЧ сигнала без его переносчика-ВЧ колебания- практически невозможна, поэтому требуется за счет модуляции этот НЧ сигнал заинформировать в ВЧ колебание. Это обусловлено тем, что антенны эффективно излучают при их геометрических размерах, соизмеримых с длиной волны ЭМ колебания.
Это легко показать на примере простейшего излучателя Герца -отрезка линейного проводника длиной ℓ, подключенного в его середине к источнику ВЧ напряжения ε(t) с частотой f (рисунок 1)
Из теории антенн известно, что его полнаяполная мощность, излученная в пространство и усредненная по периоду волны, равна:
Р = μо∙ ℓ2 (2 πf Iо )2 /12πс , (1)
гдеIо – ток, протекающий через малый участок провода и создающий излучение;
с = 2,99792458 ·108 м/c- скорость света (ЭМ волны) в вакууме;μо= 4π· 10 -7= 1,25663706144 · 10 -6 Гн/м – магнитная постоянная.
При этом элементарный расчет показывает, что использовать для радиосвязи НЧ колебания с частотами
f=20 Гц…20 кГц[λ = с / f = 300000(км/с ) / 20 …20000 (Гц) = 15000…15 (км)]
практически невозможно, так как в этом случае потребовались бы излучаю-щие антенны с невообразимо большими размерами, определяемыми эффек-тивнотребуемой половиной длины ЭМ волны, и равными (15000…15) ׃ 2 (км), т.е. от 7500 до 7,5 км.
Теперь нетрудно подсчитать, что при реальной длине упомянутого излу-чателя, называемого простейшим полуволновым вибратором , равнойℓ=10м и токе в нем Iо =1 А на низкой частоте 100 Гц по вышеприведенной формуле получим ничтожную величину излучения Р=10 нВт.
Поэтому для передачи-приема сигналов используют радиоволны высокой частоты, один из параметров которых (амплитуда, частота или фаза) изменяется в соответствии с передаваемым НЧ сообщением. Этот процесс преобразования колебаний двух различных частоти осуществляет указанная модуляция.

Рисунок 1. Полуволновый излучатель (вибратор Герца)
Виды модуляции и применение в каналах, включая каналы ВЧ связи по ЛЭП
Как указывалось модуляция -это процесс изменения одного из параметров ВЧ колебания (амплитуды, частоты или фазы) в соответствии с законом изменения передаваемой НЧ информации, что и обусловило три основных вида модуляции – амплитудную (АМ), частотную (ЧМ) и фазовую (ФМ).
В результате модуляции получаются модулированные колебания, излу-чаемые в виде ВЧ модулированных волн, которые в приемнике с помощью обратного процесса (демодуляции) снова преобразуются в НЧ передаваемые сигналы.
Наиболее часто используется амплитудная модуляция (AM), осуще-ствляемая с помощью модуляторов.
Простейший модулятор AM колебаний (рисунок 2) представляет собой не-линейный преобразователь на БПТ, к базовой цепи которого подводитсямо-дулируемоенапряжениеuω ВЧ колебанияс частотойω = 2πƒ(рисунок2 б):
(2) В эмиттерную цепь БПТ подается модулирующее колебание uΩнизкой частоты (НЧ) Ω (рисунок 2 а):
(3)
В модуляторе происходит нелинейное преобразование упомянутых сигналов, в результате чего на его выходе выделяется амплитудно-модулированное (AM) колебание uАМ (рисунок 2 в) высокой частоты (ВЧ), в котором огибающая повторяет закон изменения НЧ колебанияuΩ.
uAM = UАМ · соsωt = Uо соsωt + 0,5 Uо mсоs ( ω ± Ω) t,(4)
гдеm = ∆Um / UO - индекс модуляции, показывающий степень отклонения амплитуды напряжения UOВЧ колебания от ее среднего значения.
Из формулы (4) видно, что АМ колебание состоит из несущего ВЧ колебания с частотой ω и двух боковых НЧ колебаний с амплитудами 0,5 UOи частотами ω ± Ω ( см. пример изображенного спектра частот на рисунке 3).
Из выражения (4) и рисунка 8видно,что полоса ∆F, занимаемая АМ коле-банием, равна удвоенной частоте модулирующего НЧ колебания:
∆F = 2Ωмакс(5)

г)
Рисунок 2. К принципу использования модуляции и демодуляции: слева вверху-схема простейшего модулятора и графики (а, б, в) его работы; слева внизу-простейший детектор и график его работы (г)

Рисунок 3. Пример спектрального состава НЧ модулирующего UΩ, ВЧ модулируемого Uoи амплитудно-модулированного UAM ( с амплитудами 0,5 mUо) колебаний
Следует подчеркнуть, что боковые частоты (ω ± Ω) являются не только результатом математического преобразования, но и существуют реально, так как их можно выделить фильтрами и измерить частотомером.
Полагая модулирующий НЧ сигнал гармоническим, т.е. х(t) = соsΩt, для общности все три вида модуляции сведем в нижеследующую таблицу.
Вид модуляции Модулирующий параметр Модулированные колебания
АМ Um=U0+∆Um∙cosΩtUAM=U0(1+∆UU0∙cosΩt)∙cosω0tЧМ ω=ω0+∆ω∙cosΩtUЧM=U0∙cos(ω0t+∆ωΩ∙cosΩt)ФМ φ=φ0+∆φ∙cosΩtUФM=U0∙cos(ω0t+∆φΩ∙cosΩt)где∆UU0=m;∆ωΩ=β; ∆φΩ=Υ – индексы модуляций АМ, ЧМ и ФМ, ∆ω- девиация –отклонение частоты ω от ее среднего значения.

U 0𝜑=ω0t+ 𝜑0

Рисунок 4. Векторное представление трех видов модуляции
Кроме того, все три вида модуляции удобно объединить геометрически в виде вектора длиной ū , вращающегося с постоянной угловой скоростью ωо вокруг точки «о» , где ωо = dφ/dt. Таким образом, меняя длину вектораū- имеем АМ, меняя частоту ωили фазу φ - имеем ЧМ или ФМ соответственно; все три параметра изменяются по закону низкочастотного модулирующего воздействиях(t) = соsΩt.
2. Демодуляция (Детектирование)
В радиоприемном устройстве (РПУ) осуществляется обратный модуляции процесс –демодуляция (детектирование), т.е. выделение из АМ колебания полезного НЧ сигнала (огибающей), осуществляемое с помощью диодных или транзисторных детекторов.
Одна из типовых схем детекторов на БПТ показана на рисунке 2 (внизу). Благодаря выбору рабочей точки транзистора на нелинейном участке его передаточной характеристикIк = f (Uбэ ),на коллекторе выделяется положительная полуволна АМ колебания в виде НЧ огибающей с «ВЧ заполнением». Благодаря параллельно включенному в детекторе конденсато-руС ( см. рисунок 2 )«ВЧ заполнение» устраняется (шунтируется на корпус), а на выходе детектора остается лишь огибающая АМ колебания с частотой Ω, т.е. полезный НЧ сигнал. Выбор значений Rи Сдетектора производится на основе соотношений:
(10/ωС) <R≤ (1/ΩC) или (10/ω) <RC≤(1/Ω ) , (6)
гдеω- модулируемая ВЧ ( или заполнение в АМ колебании); Ω - модулирующая НЧ ( или огибающая в АМ сигнале).
Обычно человеческая речь звучит неискаженно при воспроизведении частот Fмакс = 2700 Гц, поэтому полоса пропускания УВЧ до детектора должна быть не менее ∆F≥ 2Fмакс = 5400 Гц. В связи с этим, минимальный частотный интервал между радиовещательными станциями в режиме АМ определяется вышеупомянутой полосой и принят равным не менее 9 кГц.
В связи с развитием цифровой техники и перспективами передачи кодированных сообщений по радиоканалу стали широко применяться другие разновидности модуляции с использованием в качестве ВЧ несущего сигнала последовательность импульсов. Соответственно применяются амплитудно-импульсная (АИМ), широтно-импульсная (ШИМ) и кодово-импульсная (КИМ) модуляции.
3. Канал ВЧ связи по линиям электропередачи(ЛЭП)
Высокочастотная (ВЧ) связь по высоковольтным линиям (ВЛ) – это комплекс оборудования связи, использующий в качестве среды передачи провода и кабели ВЛ, в которых кроме основной промышленной частоты 50 Гц циркулируют уплотняющие частоты ВЧот 20 до 1000 кГцмодулиро-ванной электромагнитной волны, аналогичнокабельным системам связи городских телефонных сетей(ГТС) ирадиотрансляционных(РТ) линий.
Приемопередатчики ВЧ-связи обычно устанавливаются по концам ЛЭП на территорииподстанций.
Назначение
Для передачи всех видов информации, необходимых для оперативно-диспетчерского и автоматического управления режимами работы энергетических систем:
Организация голосовой связи (телефонная и диспетчерская связь), передача данных ( телемеханики –ТМ, автоматизированной системы контроля и учета электроэнергии –АСКУЭ, релейной защиты и противоаварийной автоматики –РЗ и ПА , передача токового сигнала дифференциально-фазной ВЧ защиты линии - ДФЗЛ и т.д).
Типовая электрическая схема канала ВЧ связи по ЛЭП

Также ВЧ-связь используется для связи с оперативно-выездными бригадами (с использованием переносных приемопередатчиков), определения места повреждения высоковольтных линий, организации работы автоматических систем определения гололедообразования.Для сочленения низковольтной ВЧ аппаратуры с ВЛ применяется устройство присоединения.

Рисунок 5. Устройство присоединения по схеме «фаза-земля»
L – ВЧ заградитель С – конденсатор связи Си –подставка конденсатора. Z – фильтр присоединения. S- разделитель.
Устройства присоединенияшироко применяются на ВЛ с напряжением 35, 110 и 220 кВи должны обеспечить изоляцию приемопередатчиков от высокого напряжения ЛЭП, в том числе от импульсных перенапряжений (при ударе молнии), а также согласование волновых сопротивлений ЛЭП и ВЧ кабеля.
На ЛЭП среднего (6…20 кВ) и низкого (0,4 кВ) класса напряжения могут использоваться другие схемы присоединения, например конденсаторный делитель.К устройству присоединения также относится ВЧ заградитель,
снижающий шунтирующее действие оборудования подстанции для ВЧ сигнала.
В ВЛ 35…1150 кВ наличие высоковольтного конденсатора связи и трансформаторного согласующего фильтра (т. н. фильтра присоединения) является обязательным.
Особенностью ВЧ связи по ЛЭП является наличие множества сильных источников помех: коронные и дуговые разряды ЛЭП, разряды при переклю-чениях, взаимное влияние трактов ВЧ-связи друг на друга и др.);
Далее для справок:
В СНГ рабочие полосы каналов ВЧ-связи располагаются в диапазоне частот от 20 до 1000 кГц. При выборе частот этот диапазон разбивается на полосы по 4 кГц и выбор производится так, чтобы рабочие полосы частот каналов для каждого из направлений передачи информации располагались внутри одной полосы 4 кГц (для одноканального оборудования) или внутри полосы 4*n кГц (для n-канального оборудо-вания). Диапазоны смежных комплектов аппаратуры связи обычно отделяются заградительной полосой в 4 кГц.
В пределах полного диапазона имеется ряд полос частот, запрещенных для ВЧ-связи по условиям ЭМСс системами аэронавигации и радиоэлектроннымисредства-ми народного хозяйства.В основном используются симплексные каналы, и для построения полноценного канала связи требуется выделение двух частотных диапазонов. Основное исключение — системы дифференциальной защиты линий (ДФЗЛ), работающие в полудуплексном режиме в одном частотном диапазоне.
В основном используются симплексные каналы, и для построения полноценного канала связи требуется выделение двух частотных диапазонов. Основное исключение — системы дифференциальной защиты линий (ДФЗЛ), работающие в полудуплексном режиме в одном частотном диапазоне.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ
1.Тихонов А. И. Высокочастотная электроника: учебник по курсу лекций для студентов инженерных и бакалаврских программ обучения / А. И. Тихонов, А. В. Бубнов – Омск: Полиграфический центр КАН, 2012 – 320 с.
2.Тихонов А. И. Информационно-измерительные и электронные приборы и устройства: практикум / А. И. Тихонов, С. В. Бирюков, А. В. Бубнов. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. – 256 с.
3.Тихонов А. И. Информационно-измерительная техника и электроника: учеб.пособие по курсу лекций/ А. И. Тихонов; ОмГТУ. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008 – 312 с
4. Коровин С. Д. Современные радиоэлектронные средства и технологии. Учебник для курсантов и студентов военных и гражданских вузов / С. Д. Коровин, С. Е. Метелев, А. А. Соловьев, А. И. Тихонов. - Екатеринбург : Изд-во Велар, 2014 – 654 с.
5. Ишкин В. Х. Высокочастотная связь по линиям электропередачи 330-750 кВ / В. Х Ишкин, И. И Цитвер., – М.: Энергоиздат, 1981. – 208 с.

Приложенные файлы

  • docx 1529067
    Размер файла: 647 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий