Прием радио и телесигнала в автомобиле

Прием радио и телесигнала в автомобиле

Технология беспроводной передачи сигнала позволяет передавать информацию одно­временно большому количеству людей. То же самое касается приема радиосигнала в автомо­биле во время движения. В настоящее время важность методов передачи цифрового сиг­нала возрастает. Беспроводные сегменты сети передачи сигнала также используют аналого­вые методы передачи сигнала, поэтому разница между двумя технологиями несущественна. Вот о том, как осуществляется прием радио и телесигнала в автомобиле, мы и поговорим в этой статье.

 

 

Беспроводная передача

 

Радио и телевизионная трансляция

Беспроводная трансляция радио и телевизи­онного сигнала используется, главным обра­зом, для передачи к наземным приемникам. В случае передачи аналогового радиосигнала, высокочастотный сигнал модулируется ау­диосигналом. Приемник конвертирует при­нятый высокочастотный сигнал в базовую частоту, а затем демодулирует его. Получае­мый после этого конечный сигнал является информационным сигналом.

В сфере телекоммуникаций распростра­нение электромагнитных волн используется для передачи информации, при которой амплитуда, фаза или частота их колебаний изменяется в зависимости от того, какая ин­формация передается. Обычно используется диапазон частот от нескольких килогерц до 100 ГГц. Некоторые из наиболее часто ис­пользуемых полос частот указаны в табл.1 «Обзор некоторых полос частот, используемых для радио и телевизионной трансляции». Использование полос частот регулируется законодательством (Закон о телекоммуни­кациях в Германии; 2004). План распреде­ления частот между странами основывается на международных соглашениях, указанных в Статье S5 Нормативных актов по исполь­зованию радиочастот ITU (Международный союз по телекоммуникациям; [1]).

Обзор некоторых полос частот, используемых для радио и телевизионной трансляции

Передача информации при помощи высокочастотных волн

Варьирование высокочастотного сигнала, ис­пользуемое для передачи полезного сигнала от передатчика к приемнику, называется мо­дуляцией. Промодулированный высокочастот­ный сигнал передается через антенну на точно определенной в узких пределах полосе частот. Приемник точно настраивается на эту полосу ча­стот, выбранную из широкого диапазона частот, которые может принимать антенна. Таким обра­зом, передача колебаний от передатчика к при­емнику образует связь в цепи передачи сигнала.

Например, если речь идет о передаче ау­диосигнала, полезный сигнал, в отличие от высокочастотного несущего сигнала, состоит из сигналов в широком диапазоне частот до максимальной величины 20 кГц. Высокоча­стотный несущий сигнал модулируется этим низкочастотным сигналом. Антенна передат­чика излучает несущую волну.

Максимальное расстояние, на котором мо­жет приниматься сигнал, а также качество приема зависят, помимо прочих факторов, от частоты. Коротковолновые и длинно­волновые передачи имеют очень большую дальность приема, в некоторых случаях межконтинентальную, в то время как передача в диапазоне СВЧ, как правило, ограничивается дальностью прямой видимости.

Принимающая станция демодулирует сигнал. Получившиеся в результате этого низкочастотные колебания преобразуются в акустические колебания при помощи гром­коговорителя.

Амплитудная модуляция

Амплитудная модуляция (AM) — это изменение амплитуды Ан высокочастотных колебаний с частотой fн синхронно с низкочастотными ко­лебаниями (Ан:fн) (рис.1 ).

Амплитудная модуляция используется, на­пример, при коротковолновой, средневолно­вой и длинноволновой передаче.

Амплитудная модуляция (AM)

Частотная модуляция

Частотная модуляция (FM) — это измене­ние частоты fн высокочастотных колебаний синхронно с низкочастотными колебаниями (рис. 2).

Частотная модуляция используется, на­пример, в FM-радио и для звуковых кана­лов аналоговой телевизионной трансляции. Частотно-модулированный сигнал под­вержен помехам, вызванным амплитудно-модулированными сигналами (например, вызванными системами искрового зажи­гания двигателей), в меньшей степени, чем амплитудно-модулированный сигнал.

Процессы цифровой модуляции

В случае цифровой модуляции, амплитуда или частота носителя изменяется дискретно. Таким образом, можно придать значение одного или более битов информации каж­дому из этих состояний несущей частоты, чтобы передавать цифровую информацию.



Проблемы с приемом сигнала

СВЧ-сигналы распространяются практиче­ски, по прямой. В результате этого радио­приемник в автомобиле может потерять сигнал от СВЧ-передатчика, находящегося на расстоянии всего 30 км, если между автомо­билем и передатчиком находится возвышен­ность. С другой стороны, прием может быть идеальным и на большем расстоянии, если есть «линия прямой видимости» между авто­мобилем и передатчиком. Наличие «теневых радиозон» часто компенсируется установкой дополнительных передатчиков.

Сигнал может отражаться от склонов хол­мов или от высотных зданий. Отраженный сигнал принимается антенной приемника и накладывается на сигнал, полученный прямо от передатчика. В результате получается так называемый «многоканальный прием», вы­зывающий помехи и приводящий к ухудше­нию качества звука, принимаемого по радио.

Распространение электромагнитных волн ухудшается из-за проводников, располо­женных в зоне излучения передатчика (например, стальных мачт или ЛЭП), и даже близлежащих лесов, зданий или глубоких долин. Характеристики распространения волн имеют значение для эффективного по­давления помех теле- или радиоприемника, установленного в автомобиле. Идеальный прием невозможен, если мощность сигнала от передатчика слишком мала. Например, прием сигнала, который до этого приходил без помех, прервется, если автомобиль за­езжает в тоннель. Это можно объяснить экра­нированием сигнала железобетонными стен­ками туннеля, вследствие чего уменьшается полезная мощность сигнала передатчика, на который настроен приемник. Мощность пара­зитного сигнала при этом остается прежней. При некоторых условиях дальнейший прием сигнала радиостанции может оказаться не­возможным. Сходные явления могут наблю­даться при передвижении в горной местно­сти.

Радиопомехи

Радиопомехи являются следствием приема на антенну ненужных высокочастотных коле­баний вместе с полезным сигналом. Радиопомехи могут быть вызваны включениями или перерывами подачи электрического тока. Это вызывает образование высокочастотных помех, например, от работы зажигания дви­гателя, включения или выключения пере­ключателя или работы коммутатора электро­двигателя. Такие быстрые переключения тока генерируют высокочастотные волны, кото­рые вызывают помехи радиоприема в при­емниках, расположенных поблизости. Среди прочих факторов эффект помех зависит от крутизны графика импульса сигнала помех и его амплитуды.

Радиопомехи, вызванные резко возрас­тающими по амплитуде импульсами, могут быть сведены к минимуму или полностью устранены применением мер ЕМС (электро­магнитной совместимости).

Помехи могут достигать приемника раз­личными путями: непосредственно по про­водам, соединяющим источник помех и приемник, беспроводным путем через элек­тромагнитное излучение или через емкост­ную или индуктивную связь. Строго говоря, последние три из перечисленных вариантов нельзя отделить друг от друга

Отношение сигнал-шум

Качество приема зависит от мощности элек­тромагнитного поля, генерируемого передат­чиком. Оно должно иметь существенно боль­шую мощность, чем мощность поля помех, т.е. соотношение между мощностью сигнала передатчика и мощностью поля помех, со­отношение сигнал-шум, должно быть, как можно большим.

Приемник, расположенный близко к ис­точнику помех, получает не только полезный сигнал от соответствующего передатчика, но и нежелательный сигнал помех, если он передается на той же частоте. Тем не менее, качественный прием все-таки возможен, если мощность полезного сигнала от пере­датчика в точке приема достаточно велика по сравнению с мощностью электромагнит­ного поля, генерируемого источником помех. Мощность поля полезного сигнала от пере­датчика зависит от мощности передатчика, частоты передатчика, расстояния от передат­чика до приемника и свойств распростране­ния электромагнитных волн. Для средних и длинных волн мощность поля передатчика может ослабляться из-за топологических факторов до такой степени, что сигналы даже от мощных передатчиков могут иметь недо­статочную силу в некоторых местах приема. При некоторых условиях СВЧ-сигналы могут существенно ослабляться. Приемники, уста­новленные на транспортных средствах, могут иметь недостаточную мощность приема из-за короткой антенны. Соответственно, возмож­ности улучшения отношения сигнал-шум на приемнике могут быть сильно ограничены.

Эффективность приема можно повысить регулировкой положения антенны, увеличив, таким образом, соотношение сигнал-шум, которое является решающим фактором для качества приема. Однако, зачастую, имеет место компромисс между техническими тре­бованиями и конструкторскими соображе­ниями. Еще один способ улучшения соотно­шения сигнал-шум — уменьшение мощности излучаемых помех.

Конструкция приемника также имеет зна­чение для качества приема. Кроме металли­ческого экранирования, предотвращающего прямой доступ помех, и фильтров на источ­нике питания, некоторые приемники обору­дованы системами автоматического подавле­ния помех (см. раздел «Улучшение приема»).



Радиоприемники

 

Радиоприемники, устанавливаемые на авто­мобилях, обычно называются «авторадио» или «автомобильные звуковые системы». Однако, это название относится не только к радиоприемникам, но и к различным устрой­ствам, обеспечивающим применение в сфере информационного обеспечения и развлече­ний. Сюда входят анализ дополнительной ин­формации (например, новости о ситуации на дорогах), проигрыватели медиа-файлов (на­пример, компакт-диски и SD-карты), а также встроенные коммуникационные интерфейсы, сотовые телефоны и другие устройства.

За последние несколько лет в рамках традиционных аналоговых технологий пере­дачи сигнала были разработаны некоторые новые системы. По этой причине современ­ные автомобильные радиоприемники могут принимать сигналы от самых разных систем трансляции во всем мире. Кроме традици­онных систем радиовещания, среди прочих, сюда входят системы DAB (цифровое ау­диовещание), DRM (цифровая радиосистема «Mondiale») и SDARS (спутниковая цифровая аудиослужба).

Традиционный радиоприемник рассчи­тан на прием аналогового сигнала FM и AM-модуляции, и канал передачи сигнала от антенны к аудиосистеме также является аналоговым. С другой стороны, современ­ные автомобильные приемники с высокой мощностью приема обрабатывают сигнал в цифровой форме. Сигнал IF (промежуточной частоты) на выходе приемника переводится в цифровую форму в аналого-цифровом преобразователе, а затем подвергается об­работке. При цифровой модуляции обычно меняется только демодуляция в цифровой части этой схемы.

Традиционные приемники

 

Обработка сигналов

Антенна, обычно имеющая форму штыря или рамки, улавливает электромагнитный сигнал от передатчика. Сигнал передается по нескольким каналам по фиксированным, отделенным друг от друга частотам. Высоко­частотные колебания переменного тока, гене­рируемые на выходе антенны, передаются на приемник и обрабатываются в нем.

Традиционный приемник для аналого­вого радиоприема обычно состоит из двух каналов прохождения сигнала: один для обработки амплитудно-модулированного сигнала и другой для обработки частотно-модулированного сигнала. Они обычно разделены на блоки, описанные ниже (рис.3 «Блок-схема радиоприемника»).

Блок-схема радиоприемника

Система приема АМ-сигнала

Полосовой фильтр выделяет полосу амплитудно-модулированного сигнала (по­лоса ДВ, СВ или КВ), и получающийся сигнал усиливается на следующей ступени с низким уровнем шума.

Ступень входа FM-сигнала

Частотно-модулированный СВЧ-сигнал принимается отдельным модулем. Вход­ной фильтр настраивается либо на частоту приема, либо на всю полосу. Полученный сигнал затем регулируется по мощности до нужного уровня автоматическим усилителем для передачи к следующему модулю.

Генератор, управляемый напряжением

Генератор VCO (генератор, управляемый на­пряжением), частота которого регулируется системой фазовой автоподстройки частоты (PLL), генерирует высокочастотные коле­бания, которые делятся. При помощи этого сигнала входной сигнал преобразуется в постоянную промежуточную частоту (IF) в каскаде смесителя. Сигнал с кварцевой ста­билизацией используется в качестве опорной частоты.

Каскад преобразователя частоты

Каскад преобразователя частоты преобра­зует входной сигнал в постоянную проме­жуточную частоту. Обычно для приема FM- и AM-сигналов используются разные каскады преобразователя частоты. Однако, принцип преобразования частоты у них один и тот же.

Фильтр и усилитель IF

Сигнал IF, получаемый таким образом, за­тем подается на фильтр IF и регулируемый усилитель.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) преобразует аналоговый сигнал IF в цифро­вой сигнал.

Демодулятор

Демодулятор генерирует цифровой аудио­сигнал из цифрового сигнала IF.

Декодер

Дополнительная информация, такая как данные от системы RDS (система передачи данных по радио), декодируется декодером и передается к процессору для обработки.

Обработка аудиосигнала

После демодуляции аудиосигнал можно на­строить, например, в соответствии с усло­виями в салоне автомобиля или предпочтениями слушателей. Это делается при помощи соответствующих регуляторов настройки тембра и громкости, а также настройки ба­ланса между передними и задними и/или правыми и левыми динамиками.



Цифровые приемники

 

Цифровой приемник — это приемник со многими встроенными модулями, входной сигнал от которого может быть аналоговым или цифровым сигналом промежуточной частоты. Аналоговый сигнал преобразуется в цифровой, а цифровой сигнал обрабаты­вается в цифровом модуле. Такая технология позволяет обрабатывать сигнал способом, который неприменим для аналоговых тех­нологий. В ней используются, например, фильтры сигнала IF, обеспечивающие очень хороший уровень нелинейных искажений, имеющие изменяемую полосу пропускания и регулируемые, в зависимости от условий приема сигнала. Кроме того, имеется ряд других средств обработки принимаемого сиг­нала, которые могут свести к минимуму по­мехи аудиосигнала (см. SHARX, DDA и DDS).

Цифровой эквалайзер

Цифровой эквалайзер (DEQ) состоит из мно­гополосного параметрического эквалайзера, обеспечивающего возможность отдельной регулировки средних частот и усиление/ ослабление сигнала на различных фильтрах. Таким образом, можно свести к нулю неже­лательный резонанс, который может возник­нуть в салоне автомобиля, и оптимизировать качество звучания. Также можно выровнять звучание динамиков на различных частотах.

Некоторые эквалайзеры имеют готовые настройки фильтров. Эти настройки можно применить в соответствии с жанром музыки или типом транспортного средства (например, джаз или поп-музыка, фургон или седан).

Цифровая настройка звука

«Цифровая настройка звука» (DSA) — это система, которая автоматически анализирует и исправляет частотные характеристики ав­томобильных звуковых систем. Для приема и анализа звучания тестового сигнала гром­коговорителей используется микрофон и цифровой обработчик сигнала (DSP). Затем на эквалайзере выставляются оптимальные параметры звука для салона автомобиля.

Динамическое шумоподавление

Во время движения автомобиля функция «Динамическое шумоподавление» (DIMS) ис­пользует микрофон для постоянного выявле­ния и анализа спектра шумов от автомобиля, заглушающих аудиосигнал и ухудшающих восприятие звука. Данная функция исполь­зует выборочное усиление или динамическое подавление (уменьшение выходного сигнала между минимальной и максимальной вели­чинами) частот звуковых помех для того, чтобы поддержать оптимальное качество звучания вне зависимости от шумов, произ­водимых при движении.

Качество приема сигнала

Аналоговые радиопередачи обычно предна­значены для приема наземными радиоприем­никами. Условия приема не всегда идеальны, что приводит к ухудшению качества приема, в зависимости от положения приемника и передатчика, и условий окружающей среды. В случае с приемом СВЧ-сигнала, большое значение имеет расположение приемника и передатчика в связи с факторами, описан­ными ниже.

Понижение уровня сигнала

Понижение уровня сигнала вызывается из­менениями уровня принимаемого сигнала из-за препятствий на пути распространения сигнала, таких как туннели, высотные здания или горы.

Прием сигнала с нескольких направлений

Прием сигнала с нескольких направлений вызывается отражением сигнала от зданий, деревьев или водных поверхностей. Такое отражение может привести к существенному падению уровня приема и даже полной по­тере сигнала. Различия в силе принимаемого сигнала могут наблюдаться в точках, отстоя­щих всего на несколько сантиметров друг от друга. Такие флуктуации могут оказывать значительное влияние на качество приема, например, автомобильных приемников.

Помехи от смежных каналов

Помехи от смежных каналов могут возникать, если на смежном канале работает мощный передатчик.

Помехи от сигналов большой мощности

Помехи от сигналов большой мощности мо­гут возникать, если поблизости находится передатчик большой мощности. Система защиты входного каскада приемника умень­шает мощность приема. Это приводит к ослаблению более слабого сигнала от передатчика, т.е. сигнал становится тише.

Перемодуляция

На некоторых передатчиках применяется повышение уровня модуляции, чтобы уве­личить дальность приема или усилить громкость звука. Недостаток этого приема в том, что увеличиваются искажения и вероятность помех от эха.

Помехи от системы зажигания

Источники высокочастотных помех (такие, как система искрового зажигания, работа переключателей или коммутаторов электро­двигателей) вызывают помехи приема.

Улучшение качества приема сигнала

В современных автомобильных приемниках применяется большое количество функций улучшения приема. Ниже приведен обзор наиболее важных из этих функций.

Система передачи данных по радио

Система передачи данных по радио (RDS) — это цифровая система передачи данных по радио FM-диапазона. Данный формат стандартизован в европейских странах. Он обеспечивает приемник дополнительной информацией относительно принимаемого аудиосигнала в отношении дополнитель­ных частот, имеющих такую же модуляцию. Это позволяет приемнику переключаться на частоту, на которой помехи минимальны. В табл. «Коды международного стандарта радиоданных (МСРД)» приведено описание такой инфор­мации.

Коды международного стандарта радиоданных (МСРД) Оптимизация сигнала антенны
Направленная цифровая антенна

Система «Направленная цифровая антенна» (DDA), разработанная фирмой Bosch, ис­пользует сигналы от двух антенн для расчета антенны с синтезированной апертурой с новыми характеристиками направленности. Это позволяет подавлять помехи, вызванные приемом сигнала с нескольких направлений, как показано на рис.4 «Оптимизация сигнала антенны».

Система цифровой диверсификации

Характеристики приема сигнала FM-радио в значительной мере зависят от места приема. Система цифровой диверсификации (DDS) использует несколько антенн, между кото­рыми она может переключаться для того, чтобы улучшить прием. Система цифровой диверсификации, встроенная в цифровой приемник, использует один и тот же сигнал для формирования стратегии переключения, и этот сигнал после демодуляции выдается в виде аудиосигнала.

Срез высоких частот

Помехи, вызываемые такими явлениями, как понижение уровня сигнала и прием с не­скольких направлений, оказывают большее влияние на более высокие частоты аудиосиг­нала. Поэтому современные автомобильные приемники умеют обнаруживать такие по­мехи и уменьшать уровень аудиосигнала на высоких частотах, когда такие помехи имеют место.

Система SHARX

Система SHARX — это функция, которая ав­томатически регулирует полосу пропускания фильтра промежуточной частоты в зависи­мости от условий приема. Если различные станции вещают на близких частотах, эта функция значительно повышает качество разделения приема между ними, сужая по­лосу пропускания и обеспечивая прием без помех. Если близкие по частоте каналы от­сутствуют, полосу пропускания можно рас­ширить, уменьшив таким образом гармони­ческие искажения.

Автоматическое подавление помех

Еще одно средство улучшения качества при­ема — это автоматическое подавление помех и от собственного автомобиля, и от других транспортных средств. Для этого демодулированный сигнал, содержащий импульсные помехи вместе с полезным сигналом, заглу­шается на период действия помех, и эта пауза заполняется полезным сигналом.

В следующей статье я расскажу о системах помощи при парковке автомобилей.

Литература:

[1 ] Radio Regulations. International Telecommu­nication Union (ITU).

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *