Радиосенсоры и радиолокаторы
Ответы
Ответы на вопросы
1. Радиоприемники предназначены для приема радиосигналов интересующего пользователя радиоканала. Задачи, возлагаемые на радиоприемники таковы. Из миллионов разных радиоволн всех частот, поляризаций, фаз, способов модуляции, направлений распространения надо выделить слабые радиосигналы лишь требуемого пользователю радиоканала. Надо усилить их, отделить от других радиосигналов и помех, осуществить демодуляцию, превратить в четкие высококачественные звуковые волны.
2. Чувствительным элементом радиоприемника является антенна, в которой распространяющиеся электромагнитные волны наводят переменное электрическое напряжение небольшой амплитуды, – часто лишь в микровольты и менее.
3. Можно назвать такие преимущества цифровых радиоприемников перед аналоговыми: а) достаточно настроиться на нужные радиоканалы один раз и занести параметры настройки в память, после чего радиоприемник сам автоматически отыскивает и выделяет заданный радиоканал; б) цифровой радиоприемник значительно лучше следит за частотой избранного радиоканала; в) он может выполнять много дополнительных функций – цифровых часов, будильника и т.д.; г) при наличии встроенной флэш-памяти приемник может автоматически записать и потом воссоздавать интересующие пользователя радиопередачи.
4. "Цифровое радиовещание" – это технология радиовещания, при которой звуковой сигнал с самого начала представляется в цифровой форме, и которая, благодаря этому, обладает более высокой помехоустойчивостью и обеспечивает гораздо более высокое качество передачи звуковых сигналов по радио. 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.
5. Мобильный телефон является также и акустическим сенсором, поскольку первичные информационные сигналы появляются в нем и при восприятии живой речи. Мобильный телефон является также и электрическим сенсором, поскольку при нажатиях на его клавиши первичные информационные сигналы имеют вид электрических сигналов. Но мы относим мобильный телефон к классу интеллектуальных радиосенсоров потому, что восприятие информации в форме радиосигналов является в мобильном телефоне определяющим. Если не работает только микрофон, то пользователь еще может слышать, что говорит ему вызывающий абонент, и ответить ему SMS сообщением. Если не работают только клавиши набора SMS сообщений, то можно общаться с партнером по связи голосом. А вот если не работает радиосвязь, то остальные чувствительные элементы теряют свое значение.
6. Функции "органайзера" – это функции мобильного телефона, непосредственно не связанные с телефонией. Мобильный телефон может выполнять их, благодаря наличию в нем встроенного микрокомпьютера, дисплея и кнопок управления. Это, например, такие функции, как цифровые часы, будильник, секундомер, таймер, калькулятор, записная книжка, электронная игра.
7. Радиосенсоры "Bluetooth" – это миниатюрные приемо-передающие радиосенсоры, обеспечивающие эффективный беспроводный обмен информацией между компьютерами, мобильными телефонами, принтерами, видеокамерами и любыми другими оснащенными таким сенсором приборами и устройствами. Радиосенсоры Bluetooth могут связываться, находясь в разных комнатах, будучи разделены стенами, дверью, мебелью или другими неметаллическими преградами. При помощи Bluetooth-сенсоров можно относительно просто, быстро и с небольшими затратами организовать локальные сети из многих устройств. Это могут быть, например, компьютеры, мобильные телефоны, принтеры, цифровые видеокамеры, холодильник и микроволновая печь, электропривод передвижной стены, – все, во что удается встроить миниатюрный Bluetooth-сенсор.
8. "Гарнитура hands-free" (или "гарнитура Bluetooth") – это наушники для высвобождения рук, которые продаются как дополнение к мобильным телефонам. В них, как и в мобильный телефон, встроен сенсор Bluetooth, а также мини-микрофон и динамик с усилителями. Такой наушник настраивают на связь со своим мобильным телефоном и цепляют за ухо. Мобильный телефон может оставаться в кармане, в сумке или лежать где-то в десяти метрах от пользователя. Благодаря двусторонней радиосвязи с мобильным телефоном через наушник можно принимать входные звонки, вести телефонный разговор. При этом руки остаются свободными для другой работы. Мощность радиоизлучения гарнитуры hands-free в сотни раз меньше, чем мощность излучения мобильного телефона. И это сводит к минимуму влияние коротковолнового радиоизлучения на организм человека во время сеансов телефонной радиосвязи.
9. Принцип работы радиолокатора состоит в том, что из его антенны периодически излучаются радиоимпульсы и принимаются их отражения от окружающих объектов. По времени запаздывания отраженного радиоимпульса можно определить расстояние до соответствующего объекта, а по величине и характеру отраженного сигнала – некоторые характеристики объекта. По изменению частоты отраженного сигнала можно определить, движется ли объект, и вычислить скорость его перемещения. Если диаграмма направленности излучения антенны достаточно узка, то можно определить также, в каком направлении находится обнаруженный объект.
10. Можно назвать следующие области применения радиолокаторов: а) дальнее обнаружение воздушных целей; б) контроль за воздушным движением; в) наведение ракет; г) картография; д) ориентация самолетов и судов; е) метеорология; ж) исследования поверхности Земли; з) береговая охрана; и) управление наземным дорожным движением.
11. "Георадар" – это радиолокатор, направляющий свои радиоимпульсы не в свободное пространство, а в исследуемую среду – в землю, воду, стены и т.д. Радиоимпульс, проходя сквозь зондируемую среду, отражается от имеющихся в ней неоднородностей. Отраженные радиосигналы несут информацию о структуре среды. При перемещении георадара вдоль поверхности среды формируется картина, позволяющая определить наличие, местонахождение, глубину залегания и размеры скрытых объектов. Георадары применяют для выявления в глубине земли, в насыпях, оползнях, под автомобильным или железнодорожным полотном, под водой, во льду и под ним разных структурных неоднородностей, карстовых пустот, промоин, трещин, разломов, инородных тел. Важными применениями являются также определение глубины залегания полезных ископаемых и поиск живых людей, оказавшихся под завалами в результате природных или техногенных катастроф.
12. "MIR радиолокатор" (Micropower Impulse Radar – микромощный импульсный радиолокатор) – это миниатюрный радиолокатор, который излучает сверхкороткие радиоимпульсы продолжительностью 200 пс. Интервалы времени между излучениями импульсов являются случайными и задаются генератором шума. А прием отраженных сигналов синхронизируется с моментами излучения. Таким путем достигаются: сведение к минимуму помех, создаваемых несколькими одновременно работающими антеннами; очень высокая селективность отбора "своих" сигналов; а также практически незаметная работа радиолокатора, так как его излучение для постороннего наблюдателя сливается с фоновым шумом. Средняя частота излучения импульсов составляет 1-2 МГц. Усреднение по десяткам тысяч – миллионам импульсов повышает соотношение сигнал/шум. Благодаря очень коротким импульсам средняя мощность излучения MIR радиолокатора в сотни раз меньше, чем у мобильных телефонов.
Ответы к упражнениям
Упражнение 13.1.
Вариант 1. Функциональная схема аналогового супергетеродинного радиоприемника имеет следующий вид.
Чувствительным элементом является антенна А. Наведенные в ней электрические колебания усиливаются в усилителе высокой частоты УВЧ. Он содержит высокодобротный колебательный контур, благодаря чему из широкого спектра колебаний выделяются лишь сигналы нужной частотной полосы. Резонансная частота устанавливается вручную с помощью узла настройки Н. Этот узел обычно содержит переключатель радиодиапазонов, ручки грубой и точной настройки, шкалу и светодиодный индикатор настройки. 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, частота которых тоже регулируется узлом настройки Н так, чтобы разность между ней и частотой выделяемых 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. Они усиливаются в УНЧ и воспроизводятся в звуковой колонке (или в наушниках) Зв. Узел РТ, изменяя частотную характеристику УНЧ, позволяет оптимально отрегулировать тембр звучания.
Вариант 2. Функциональная схема цифрового радиоприемника для приема аналоговых сигналов имеет следующий вид.
Весь радиоприёмный тракт, включая усилитель низкой частоты УНЧ, работает так же, как описано в предыдущем варианте. Но только блоком настройки Н управляет микрокомпьютер МК. Он же выводит на дисплей Д интересующую пользователя информацию (текущее время, дату, наименование принимаемого радиоканала и т.д.). Пользователь может управлять работой радиоприемника (выбирать интересующий его радиоканал, устанавливать время, дату, программировать на включение в нужный момент, на самовыключение и т.д.) через кнопки или клавиши управления КУ.
Вариант 3. Функциональная схема цифрового радиоприемника для приема стереопередач имеет следующий вид.
Поскольку радиосигнал стереопередач имеет две связанных несущих (или поднесущих) частоты, то он и принимается на 2 различных радиоприемных тракта РПТ 1 и РПТ 2. Выход каждого из них подключается к своей звуковой колонке Зв, благодаря чему и создается стереофоническое звучание. Настройка обоих радиоприемных трактов на нужный пользователю радиоканал производится через общий блок настройки Н. Функциональная схема радиоприемного тракта такая же, как описано в предыдущем варианте. Радиоприемные тракты РПТ 1 и РПТ 2 могут иметь общую высокочастотную или даже и промежуточную ступень усиления.
Вариант 4. Функциональная схема цифрового радиоприемника для цифрового радиовещания имеет следующий вид.
Наводимые в антенне А 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. Эта последовательность 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. Для того, чтобы пользователь мог управлять работой радиоприемника, используются клавиши или кнопки управления КУ.