Введение
Радиовещательное оборудование
Радиовещательный передатчик – это электронное устройство, излучающее радиоволны, модулированные информацией, предназначенной для приема широкой публикой. Примерами служат радиопередатчик, передающий аудио (звук) на радиоприемники (радио), принадлежащие публике, или телевизионный передатчик, передающий движущиеся изображения (видео) на телевизионные приемники (телевизоры). Этот термин часто включает в себя антенну, излучающую радиоволны, а также здание и сооружения, связанные с передатчиком. Вещательная станция (радиостанция или телевизионная станция) состоит из радиовещательного передатчика и студии производства, откуда осуществляется вещание. Радиовещательные передатчики должны быть лицензированы государственными органами и ограничены определенными частотами и уровнями мощности. Каждому передатчику присваивается уникальный идентификатор – строка из букв и цифр, называемая позывным, который должен использоваться во всех передачах.
Возбудитель
В вещании и телекоммуникациях часть, содержащая генератор, модулятор, а иногда и аудиопроцессор, называется "возбудителем". Большинство передатчиков используют гетеродинный принцип, поэтому они также имеют блоки преобразования частоты. Сбивает с толку то, что усилители высокой мощности, на которые затем поступает сигнал с возбудителя, часто называют "передатчиками" инженеры радиовещания. Конечная выходная мощность указывается как выходная мощность передатчика (TPO), хотя по этому показателю большинство станций не оцениваются. Эффективная излучаемая мощность (ERP) используется при расчете зоны покрытия станции, даже для большинства не вещательных станций. ERP рассчитывается как TPO, уменьшенный на потери в линии передачи до антенны и умноженный на коэффициент усиления антенны в направлении горизонта. Усиление антенны имеет важное значение, поскольку для достижения необходимой силы сигнала без него потребовались бы огромные затраты на электроэнергию для передатчика и чрезмерно дорогостоящий передатчик. Для большинства крупных станций в диапазонах VHF и UHF мощность передатчика составляет не более 20% от ERP. Для диапазонов VLF, LF, MF и HF ERP обычно не определяется отдельно. В большинстве случаев мощность передачи, указанная в списках передатчиков, соответствует выходной мощности передатчика. Это справедливо только для всенаправленных антенн длиной не более четверти длины волны. Для других типов антенн существуют коэффициенты усиления, которые могут достигать значений до 50 для коротковолновых направленных антенных систем в направлении максимальной интенсивности излучения. Поскольку некоторые авторы учитывают коэффициенты усиления антенн при указании мощности передатчиков для частот ниже 30 МГц, а другие – нет, часто возникают расхождения в значениях передаваемой мощности.
Электроснабжение
Иногда передатчики питаются от более высокого уровня напряжения в сети электроснабжения, чем требуется, для повышения надежности электроснабжения. Например, передатчики Аллуи, Константинув и Румуль питаются от сети высокого напряжения (110 кВ в Аллуи и Константинуве, 150 кВ в Румуле), хотя электроснабжение от сети среднего напряжения (около 20 кВ) было бы способно обеспечить достаточную мощность.
Охлаждение конечных стадий
Передатчики малой мощности не требуют специального оборудования для охлаждения. Современные передатчики могут быть невероятно эффективными, с КПД более 98 процентов. Однако, вещательный передатчик с мегаваттной выходной ступенью, передающий 98% мощности в антенну, также можно рассматривать как электрический нагреватель мощностью 20 киловатт. Для передатчиков средней мощности, до нескольких десятков киловатт, включая 50 кВт AM и 20 кВт FM, обычно используется принудительное воздушное охлаждение. При мощностях выше указанных, некоторые передатчики оснащаются выходной ступенью с жидкостным охлаждением, аналогичным системе охлаждения автомобиля. Поскольку охлаждающая жидкость непосредственно контактирует с высоковольтными анодами ламп, в контуре охлаждения можно использовать только дистиллированную, деионизированную воду или специальную диэлектрическую жидкость. Эта высокочистая охлаждающая жидкость, в свою очередь, охлаждается теплообменником, где вторая цепь охлаждения может использовать воду обычного качества, так как она не контактирует с находящимися под напряжением частями. Очень мощные лампы малого физического размера могут использовать испарительное или паровое охлаждение водой, контактирующей с анодом. Образование пара позволяет обеспечить высокий теплоотвод в ограниченном пространстве.
Защитное оборудование
Высокие напряжения, используемые в мощных передатчиках (до 40 кВ), требуют обширного защитного оборудования. Кроме того, передатчики подвержены повреждениям от ударов молнии. Работа передатчика без антенны может привести к его повреждению, поэтому защитные схемы должны обнаруживать потерю антенны и немедленно отключать передатчик. В передатчиках на лампах необходимо подавать питание в определенной последовательности: напряжение на нить накала – перед напряжением на анод, иначе лампы могут выйти из строя. Выходную ступень необходимо контролировать на предмет наличия стоячих волн, которые указывают на то, что генерируемая мощность не излучается, а отражается обратно в передатчик. Защита от молнии необходима между передатчиком и антенной и состоит из искровых промежутков и газонаполненных ограничителей перенапряжения для ограничения напряжения на клеммах передатчика. Контрольно-измерительный прибор, измеряющий коэффициент отражения, кратковременно отключает передатчик при обнаружении повышенного коэффициента отражения после удара молнии, поскольку отражения, вероятно, вызваны повреждением от молнии. Если после нескольких попыток это не удается, антенна может быть повреждена, и передатчик следует оставить выключенным. На некоторых передающих станциях в критических местах устанавливаются ультрафиолетовые датчики для отключения передатчика при обнаружении дуги. Рабочие напряжения, коэффициент модуляции, частота и другие параметры передатчика контролируются для защиты и диагностики и могут отображаться локально и/или в пультовой.
Здание
Коммерческий передающий центр обычно имеет здание управления для защиты компонентов передатчика и органов управления. Это, как правило, чисто функциональное здание, которое может содержать оборудование как для радио-, так и для телевизионных передатчиков. Для снижения потерь в линии передачи здание передатчика обычно располагается непосредственно рядом с антенной для диапазонов VHF и UHF, но для более низких частот может быть целесообразно размещать здание и антенну на расстоянии в несколько десятков или нескольких сотен метров друг от друга. Некоторые передающие мачты имеют встроенные кожухи для размещения радиорелейных передатчиков или других передатчиков относительно небольшой мощности. В некоторых зданиях передатчиков могут быть предусмотрены ограниченные возможности для вещания, позволяющие станции использовать здание в качестве резервной студии в случае неисправности основного комплекса.
Юридические и нормативные аспекты
Поскольку радиоволны не знают границ, международные соглашения регулируют радиосвязь. В европейских странах, таких как Германия, регулирующим органом часто выступает национальная почтовая служба. В Соединенных Штатах вещательные и промышленные передатчики регулируются Федеральной комиссией по связи (FCC). В Канаде технические аспекты вещания и радиопередатчиков контролируются Industry Canada, а содержание вещания – отдельно Канадской комиссией по радиовещанию и телекоммуникациям (CRTC). В Австралии передатчики, спектр и контент находятся под контролем Австралийского управления по коммуникациям и средствам массовой информации (ACMA). Международный союз электросвязи (ITU) содействует управлению радиочастотным спектром на международном уровне.
Планирование
Как и в любом дорогостоящем проекте, планирование площадки для мощного передатчика требует большой тщательности. Это начинается с выбора местоположения. Для защиты людей от радиочастотной энергии необходимо соблюдать минимальное расстояние, которое зависит от частоты передатчика, его мощности и конструкции передающих антенн. Антенные мачты часто очень высокие, поэтому необходимо оценить воздушные трассы. Для мощных передатчиков должно быть доступно достаточно электроэнергии. Передатчики для длинных и средних волн требуют хорошего заземления и почвы с высокой электропроводностью. Идеальными местами являются побережья морей или долины рек, но необходимо учитывать опасность затопления. Передатчики для УВЧ лучше всего размещать на высоких горах для увеличения дальности (см. распространение радиоволн). Необходимо учитывать диаграмму направленности антенны, поскольку изменение диаграммы направленности антенны для длинных и средних волн является дорогостоящим. Передающие антенны для длинных и средних волн обычно реализуются в виде излучающей мачты. Аналогичные антенны меньшего размера также используются для коротковолновых передатчиков, если они работают в режиме кругового излучения. Для формирования излучения на отдельно стоящих стальных мачтах используются плоские антенные решетки. Радиовышки для УВЧ и телевизионных передатчиков в принципе могут быть реализованы как заземленные конструкции. Мачты могут быть выполнены в виде стальных решетчатых конструкций или железобетонных башен с антеннами, установленными наверху. Некоторые передающие мачты для УВЧ оборудованы операционными помещениями на большой высоте и/или объектами, такими как рестораны и смотровые площадки, доступ к которым осуществляется с помощью лифта. Такие мачты обычно называют телевизионными башнями. Для микроволновых частот часто используются параболические антенны. Их можно устанавливать для применения в радиорелейных линиях на передающих вышках FM или на специальных платформах. Например, для передачи сигналов на телевизионные спутники и космические аппараты необходимы большие параболические антенны диаметром от 3 до 100 метров. Эти установки, которые при необходимости могут использоваться и как радиотелескопы, размещаются на отдельно стоящих конструкциях, при этом существует множество специальных конструкций, таких как радиотелескоп в Аресибо. Не менее важно, чем планирование строительства и расположения передатчика, то, как его выходная мощность согласуется с существующими передачами. Два передатчика не могут вещать на одной и той же частоте в одной и той же области, так как это вызовет взаимные помехи. Хороший пример того, как планировщики каналов согласовали выходную мощность различных передатчиков, можно увидеть в распределении каналов UHF-телевидения Crystal Palace. Эта ссылка также содержит хороший пример группового передатчика, в данном случае группы A. То есть, вся его выходная мощность находится в нижней трети британского диапазона UHF-телевидения. Две другие группы (B и C/D) используют среднюю и верхнюю треть диапазона, см. график. Воспроизводя эту группировку по всей стране (используя разные группы для соседних передатчиков), можно минимизировать взаимные помехи, а также использовать более эффективные групповые приемные антенны в зонах неуверенного приема. К сожалению, в Великобритании эта тщательно спланированная система была нарушена с появлением цифрового вещания, которое (по крайней мере, в период перехода) требует еще большего пространства для каналов, и, следовательно, дополнительные цифровые каналы вещания не всегда могут быть встроены в существующую группу передатчика. Таким образом, многие британские передатчики стали "широкополосными", что повлекло за собой необходимость замены приемных антенн (см. внешние ссылки). После завершения перехода на цифровое вещание (DSO) планируется, что большинство передатчиков вернутся к своим первоначальным группам, источник: Ofcom, июль 2007 года. Дополнительные осложнения возникают, когда соседние передатчики должны вещать на одной и той же частоте, и в этих случаях диаграммы направленности излучения ослабляются в соответствующем направлении. Хороший пример этого в Соединенном Королевстве, где передающая станция Waltham передает на высокой мощности на тех же частотах, что и высокомощные передачи передающей станции Sandy Heath, при этом расстояние между ними составляет всего 50 миль. Таким образом, антенная решетка Waltham не передает эти два канала в направлении Sandy Heath и наоборот. Если для конкретной услуги требуется широкое покрытие, это обычно достигается за счет использования нескольких передатчиков в разных местах. Обычно эти передатчики работают на разных частотах, чтобы избежать помех при перекрытии зон покрытия. Примеры включают национальные вещательные сети и сети сотовой связи. В последнем случае переключение частоты автоматически выполняется приемником по мере необходимости, в первом случае более распространено ручное перенастройка (хотя система передачи данных радио (RDS) является примером автоматического переключения частоты в вещательных сетях). Другая система для расширения покрытия с использованием нескольких передатчиков — квазисинхронная передача, но в настоящее время она используется редко.
Главные и ретрансляторные (ретрансляторные) передатчики
Передающие станции обычно классифицируются как основные или ретрансляционные (также известные как ретрансляторы, переводчики или иногда "транспозиторы"). Основными станциями считаются те, которые генерируют собственный модулированный выходной сигнал из базового (немодулированного) входного сигнала. Обычно основные станции работают на высокой мощности и обеспечивают покрытие больших территорий. Ретрансляционные станции (переводчики) принимают уже модулированный входной сигнал, как правило, путем непосредственного приема сигнала от головной станции с эфира, и просто ретранслируют его на другой частоте. Обычно ретрансляционные станции работают на средней или низкой мощности и используются для улучшения приема в зонах со слабым сигналом внутри или на границе зоны обслуживания головной станции. Следует отметить, что основная станция также может принимать входной сигнал непосредственно с эфира от другой станции, однако этот сигнал сначала полностью демодулируется до базовой полосы, обрабатывается и затем повторно модулируется для передачи.
Передатчики в культуре
Некоторые города Европы, такие как Мюлхакер, Исманнинг, Лангенберг, Калундборг, Хёрби и Аллуис, стали известны как места расположения мощных передатчиков. Например, передатчик "Голиаф" был ВLF-передатчиком военно-морских сил нацистской Германии (Kriegsmarine) во время Второй мировой войны, расположенным недалеко от Кальбе-ан-дер-Мильде в Саксонии-Анхальт, Германия. Некоторые передающие вышки, такие как радиобашня в Берлине или телебашня в Штутгарте, стали символами своих городов. Многие передающие станции имеют очень высокие радиовышки, являющиеся шедеврами инженерной мысли. Владение самым высоким зданием в мире, стране, штате/провинции/префектуре, городе и т.д. часто считалось поводом для гордости. Зачастую строители высотных зданий использовали передающие антенны, чтобы заявить о том, что их здание является самым высоким. Историческим примером стала конкуренция между зданием Крайслер и Эмпайр-стейт-билдинг в Нью-Йорке за звание "самого высокого здания". На некоторых башнях есть смотровые площадки, доступные для туристов. Примером является Останкинская телебашня в Москве, строительство которой было завершено в 1967 году к 50-летию Октябрьской революции, чтобы продемонстрировать технические возможности Советского Союза. Поскольку очень высокие радиовышки любого типа являются заметными ориентирами, требующими тщательного планирования и строительства, а мощные передатчики, особенно в диапазонах длинных и средних волн, могут принимать сигналы на больших расстояниях, такие объекты часто упоминались в пропаганде. Другими примерами являются Deutschlandsender Herzberg/Elster и Варшавская радиомачта. Телебашня KVLY, расположенная недалеко от Бланчарда, штат Северная Дакота, была самой высокой искусственной конструкцией в мире на момент завершения строительства в 1963 году. В 1974 году она была превзойдена Варшавской радиомачтой, но вернула себе это звание после обрушения последней в 1991 году. В начале 2009 года её превзошел небоскреб Бурдж-Халифа, однако телемачта KVLY по-прежнему остается самым высоким передатчиком.