Радиосенсоры и радиолокаторы
Цель лекции: ознакомить слушателей с возможностями современных аналоговых и цифровых радиоприемников и перспективами цифрового радиовещания. Изложить непростую историю разработки, постепенного усовершенствования и внедрения мобильных телефонов, принципы их работы, многогранные возможности. Обратить внимание на большие возможности применения радиосенсоров Bluetooth для создания локальных сетей, установления и поддержания беспроводной скоростной связи между любыми "разумными" электронными устройствами. Дать представление о современных портативных радиолокаторах, о возможностях и областях их применения, объяснить новейшие достижения в их совершенствовании.
13.1. Радиоприемники
Сквозь окружающее нас пространство всегда проходят миллионы радиоволн – электромагнитных колебаний с длиной волны от 0,3 мм до 3 км. Мы, люди, практически их не ощущаем. Воспринимать их, разобраться в них, получить из них ценную информацию нам помогают радиосенсоры. К этой группе интеллектуальных сенсоров принадлежат, в первую очередь, радиоприемники.
За столетие от изобретения радиосвязи они в своем развитии прошли впечатляющий путь от первых малочувствительных детекторных и ламповых радиоприемников к высококачественным современным. Двести лет назад люди и вообразить себе не могли, что можно слушать музыку, которую играют, или сказку, которую рассказывают детям, – вообще запросто слушать то, что происходит за сотни и тысячи километров от нас. Сегодня же это стало настолько привычным, что никого уже не удивляет.
Задача, возлагаемая на радиоприемники, не из легких: из миллионов разных радиоволн всех диапазонов и частот, поляризаций, фаз, способов модуляции, направлений распространения надо поймать слабые радиосигналы лишь требуемого пользователю радиоканала. Надо усилить их, отделить от других радиосигналов и разнообразных помех, осуществить демодуляцию, превратить в четкие высококачественные звуковые волны.
13.1.1. Аналоговые радиоприемники
Чтобы справиться с этой задачей, радиоприемники почти с самого начала уже должны были проектироваться как умные, "интеллектуальные" радиосенсоры. Чувствительным их элементом является антенна, в которой электромагнитные волны наводят переменное электрическое напряжение с амплитудой часто лишь в микровольты.
Выбор и наладка антенн, принципы работы радиоприемников, усиления, селекции, демодуляции сигналов, способы подавления помех и т.д. – это предмет целой самостоятельной науки – "радиотехники". Эти принципы многократно и хорошо описаны в сотнях учебников и книг [ [ 181 ] , [ 204 ] , [ 222 ] , [ 269 ] , [ 317 ] , [ 323 ] ]. И повторять их мы не будем. Обратим Ваше внимание лишь на то, что на протяжении почти всей истории своего развития и совершенствования радиоприемники были аналоговыми.
Популярнейшим из радиодиапазонов среди населения является поддиапазон ультракоротких волн с частотой 64 - 108 МГц и длиной волны 2,8-4,7 м ("FM диапазон"). Именно в этом диапазоне работает большинство коммерческих радиоканалов. Здесь можно обеспечить высокое качество радиоприема, стереофоническое вещание. Популярным является также поддиапазон средних волн с частотой 520-1610 кГц и длиной волны 185-580 м ("АМ диапазон"), хотя качество приема здесь заметно ниже. Большинство бытовых радиоприемников рассчитано именно на эти диапазоны радиоволн.
На рис. 13.1 слева представлена фотография типичного современного аналогового радиоприемника PANASONIC RF-2400 размером 234x122x82 мм и массой 670 г, предназначенного для приема радиопередач в FM и АМ диапазонах. Он имеет телескопическую антенну, автоматическую регулировку усиления (АРУ) и автоматическое слежение за частотой выбранной радиостанции, возможность регулирования тембра, светодиод для точного подбора частоты наилучшего приема. Слушать радиопередачи и музыку можно как через динамик, так и через наушники.
Близкий по своим возможностям к описанному аналоговый радиоприемник "карманного" размера RF-P50EG-S с выходной мощностью динамика 0,15 Вт, размером 117x70x30 мм, показан на рис. 13.1 справа.
13.1.2. Цифровые радиоприемники
Лишь в последнее десятилетие радиоэлектронные фирмы начали массово производить и выпускать на широкий рынок цифровые радиоприемники – интеллектуальные сенсоры, в состав которых входит микропроцессор. Они намного удобнее аналоговых. При пользовании ими не нужно каждый раз крутить ручку настройки, искать интересующий Вас радиоканал. Достаточно найти его один раз и занести параметры настройки в память. После этого цифровой радиоприемник сам автоматически отыскивает и выделяет заданный радиоканал. Он значительно лучше следит за частотой избранного радиоканала, а также может выполнять немало дополнительных функций.
На рис. 13.2 показан цифровой радиоприемник PHILIPS AE2380, размером 225x15x55 мм, который работает в FM, MW (средние волны, 550–1600 кГц) и LW (длинные волны, 150–350 кГц) диапазонах, запоминает настройки до 30 избранных Вами радиостанций, имеет громкоговоритель с выходной мощностью 0,4 Вт. Для настройки на другой радиоканал достаточно нажать соответствующую кнопку.
Радиоприемник обеспечивает регулирование тембра, воспроизведение стереозвука и возможность прослушивания радиопередач через наушники. Он имеет в своем составе также sleep-таймер, цифровые часы с автоматическим регулированием по радиосигналам точного времени, а также будильник с автоматическим включением радиоприемника или звукового сигнала по Вашему выбору и в заданное Вами время (http://www.consumer.philips.com/). Питание радиоприемника возможно как от стандартной электросети, так и от батареек или аккумуляторов. Поэтому он одинаково хорошо может служить Вам как дома, так и в дороге, на природе, в путешествиях.
На рис. 13.3 слева показан карманный цифровой радиоприёмник Philips АЕ6775/00 размерами 80x78x18 мм и массой лишь 65 г.
Рис. 13.3. Слева – карманный цифровой радиоприемник Philips АЕ6775/00; справа – спутниковый радиоприемник Delphi MyFi
Цифровой радиоприемник Philips АЕ6775/00 работает в FM и MW диапазонах, имеет память на 10 радиостанций, обеспечивая отличное стереозвучание с выходной мощностью 2x5 мВт. Радиопередачи можно прослушивать также через стереонаушники. Имеется динамическое усиление нижних частот.
Передача и прием стереозвука обеспечиваются тем, что звуки, воспринимаемые двумя пространственно разнесенными микрофонами, передаются по двум отдельным радиоканалам (или по двум разным подканалам одного радиоканала). В радиоприемнике они разделяются и воспроизводятся двумя разными, пространственно разнесенными динамиками, что и создает эффект стереофонического звучания.
Справа рис. 13.3 показан портативный спутниковый радиоприемник Delphi MyFi, с помощью которого владелец может прослушивать радиопередачи и музыку, находясь в любой точке земного шара. Благодаря встроенной памяти с помощью этого приемника можно записать и потом воссоздавать до 5 часов высококачественной музыки и другой аудиоинформации.
13.1.3. Радиоприемники для цифрового радиовещания
Цифровые радиоприемники стали также "прокладывать дорогу" для перехода на цифровое радиовещание. Это – технология радиовещания, при которой звуковые сигналы с самого начала представляются и передаются в цифровой форме и которая, благодаря этому, может обладать более высокой помехоустойчивостью и обеспечить гораздо более высокое качество передачи звуковых сигналов. Эта технология при использовании цифровой компрессии сигналов позволяет также передавать по одному радиоканалу несколько независимых потоков аудиоинформации и других данных, расширяя палитру предоставляемых пользователям услуг.
Уже в цифровых приемниках аналоговых радиосигналов появилась возможность наряду с приемом и воспроизведением аналоговых звуковых сигналов через отдельный подканал принимать параллельно передаваемые цифровые коды и воспроизводить на своем дисплее "бегущую" текстовую строку. В этой строке могут сообщаться, например, название радиоканала и наименование ведущейся радиопередачи, имена авторов, исполнителей, ведущих, сопроводительная информация. Могут передаваться срочные сообщения и предупреждения, сведения о погоде, о пробках на дорогах, рекламные сообщения, сведения, дополняющие звуковые сообщения (адреса, номера телефонов, цены и проч.).
В 90-х гг. стало совершенно очевидно, что наличие в радиоприемнике микроконтроллера позволяет принимать, обрабатывать и воспроизводить также и звук, представленный в цифровой форме. А переход на цифровую форму передачи звуковой информации потенциально может обеспечить возможность её надежной защиты от шумов и помех, значительное "уплотнение" передачи, а значит, и возможность мультивещания по одному радиоканалу, другие преимущества. Это делает цифровое радиовещание весьма перспективным.
Уже разработаны и практически опробованы несколько различных технологий и стандартов цифрового радиовещания. На европейском континенте пока лидируют технология "Eureka-147", которую именуют также "DAB", и технология "DRM". Стандарт цифрового аудиовещания DAB (Digital Audio Broadcasting) Eureka-147 используется, например, в Великобритании. Технологию "DRM" продвигает некоммерческий международный консорциум DRM (Digital Radio Mondiale), созданный в 1998 г., в состав которого сейчас входит более 80-ти компаний. Свои программы передают в этом формате уже более 60 радиокомпаний. DRM предназначен для использования в диапазонах радиоволн с частотой ниже 30 МГц. Эти диапазоны по дальности распространения могут конкурировать со спутниками. Дальнодействие особенно актуально для России с ее огромными пространствами и низкой плотностью населения. Сигнал DRM, в отличие от DAB, можно передавать с помощью уже существующих аналоговых передатчиков, в которых меняется только модулятор. В DRM заложены возможности использования как более ранних, так и последних, наиболее эффективных систем компрессии сигналов, предусмотрены гибкие возможности помехоустойчивого кодирования. Для повышения надежности предполагается также использовать многочастотное вещание. В этом случае одна и та же передача ведется сразу на нескольких частотах. А радиоприемник автоматически настраивается на волну с оптимальным сигналом.
В 2006 г. на региональной конференции радиосвязи в Женеве было принято решение о том, что все страны Европы до 2015 г. должны перейти на цифровое телерадиовещание.
На рис. 13.4 вверху представлена функциональная схема радиоприемника для цифрового радиовещания. Чувствительным элементом здесь, как и в других радиоприемниках, является антенна А. Наводимые в ней электрические колебания поступают в радиоприемный тракт РПТ, где из них выделяются колебания, вызванные радиоволнами только выбранного пользователем канала. Они там усиливаются, демодулируются и превращаются в последовательность импульсов цифровой информации.
Рис. 13.4. Вверху – функциональная схема радиоприемника для цифрового радиовещания; внизу – типовая функциональная схема радиоприемного тракта
Эта последовательность импульсов поступает в микроконтроллер МК, который в соответствии с установленным протоколом связи выделяет из неё потоки данных, нужных пользователю. Он осуществляет их цифровую фильтрацию, декодирует их, формирует аудиосигналы и информацию для отображения на текстовом дисплее ТД. Аудиосигналы поступают на выходной усилитель ВУ, а с него – на звуковые колонки Зв. По желанию пользователя текстовая или аудиоинформация могут запоминаться во флэш-памяти ФП и потом воспроизводиться радиоприемником по указанию пользователя. Для того, чтобы пользователь мог управлять работой радиоприемника, используются клавиши или кнопки управления КУ.
Типовая функциональная схема радиоприемного тракта РПТ представлена на рис. 13.4 внизу. Она, в принципе, такая же, как и в большинстве аналоговых и цифровых радиоприемников. Сигнал от антенны через вход 1 поступает в усилитель высокой частоты УВЧ. Он содержит высокодобротный колебательный контур, благодаря чему из широкого спектра колебаний выделяются лишь сигналы нужной частотной полосы. Резонансная частота устанавливается с помощью узла настройки Н. Этот узел обычно состоит из переключателя радиодиапазонов, который подключает в контур катушки индуктивности разных номиналов, и варикапов (конденсаторов переменной емкости). В аналоговых радиоприемниках настройка на нужный радиоканал производится вручную с помощью ручек грубой и точной настройки, используя шкалу длин волн (частот) и светодиодный индикатор настройки. В цифровых радиоприемниках настройка производится микроконтроллером через вход 2. Выделенные и усиленные сигналы нужной пользователю частоты поступают в смеситель См, на который подаются также сигналы опорной частоты от гетеродина Г. Это – генератор незатухающих электромагнитных колебаний небольшой амплитуды, частота которых тоже регулируется узлом настройки Н так, чтобы разность между ней и частотой выделенных высокочастотных колебаний оставалась постоянной. При смешивании выделенных сигналов нужной пользователю частоты и опорного сигнала от гетеродина на выходе смесителя См появляется сигнал разностной частоты, которую называют "промежуточной". Она остается одной и той же при настройке УВЧ на любую радиостанцию.
Сигналы промежуточной частоты отфильтровываются фильтром промежуточной частоты ФПЧ от помех и усиливаются в усилителе промежуточной частоты УПЧ. Узел автоматической регулировки усиления АРУ обеспечивает оптимальную амплитуду выходного сигнала промежуточной частоты, поступающего на демодулятор Дм. Последний выполняет действия, обратные тем, которые производятся в модуляторе передающей радиостанции. В случае амплитудной (частотной, фазовой) модуляции Дм выполняет амплитудную (соответственно частотную, фазовую) демодуляцию. Благодаря этому на выходе Дм появляются сигналы звуковой частоты или последовательности цифровых импульсов. Они усиливаются в усилителе низкой частоты УНЧ. В аналоговых и в цифровых радиоприемниках получаемый на выходе 3 аналоговый звуковой сигнал воспроизводится в звуковой колонке (или в наушниках). В радиоприемниках для цифрового радиовещания последовательность цифровых импульсов с выхода 3 передается сначала в микроконтроллер. В аналоговых радиоприемниках тембр звучания регулируется вручную по входу 4, а в цифровых – от микрокомпьютера.
Фотографии двух образцов радиоприемников для цифрового радиовещания приведены на рис. 13.5. Их характерной особенностью, отличающей их от радиоприемников аналогового радиовещания, является наличие дисплея для вывода текстовой информации.
Более детально с тонкостями цифрового радиовещания можно ознакомиться в книге [ [ 298 ] ].