2. Основные классы радиоэлектронных систем
Современные радиоэлектронные системы очень сильно различаются по принципам действия, по назначению, по сложности, стоимости и по многим другим характеристикам. Есть уникальные системы, которые выпускаются в единичных экземплярах, но есть и такие, которые повторяются миллионными тиражами. Но при всем многообразии свойств, назначений и условий работы современных радиоэлектронных систем, их можно отнести к одному из нескольких классов, положив в основу классификации информационный признак. Такой подход к классификации совершенно естественен, если помнить, что радиоэлектронные системы представляют собой подмножество множества информационных систем. По информационному признаку различают системы передачи информации, системы извлечения информации, системы радиоуправления и системы радиоэлектронного противодействия (системы разрушения информации). Но прежде, чем обсуждать информационные особенности радиоэлектронных систем, необходимо обсудить смысл и содержание понятия "Информация" как технического термина.
В технических приложениях информацией называют сведения о некоторых процессах и(или) объектах. Информация содержится в сообщениях. Материальными носителями сообщений и, следовательно, информации служат сигналы. В принципе, сигналы могут иметь разную физическую природу. Но радиоэлектронные системы имеют дело, прежде всего, с сигналами, которые представляются электромагнитными полями. С сигналы иной физической природы (акустическими, механическими и прочими) радиоэлектронные системы тоже работают, но только преобразуя их в электромагнитные колебания.
Материальными переносчиками информации служат сигналы. Именно сигналами обмениваются разные устройства и подсистемы информационных систем. А радиоэлектронные системы взаимодействуют, используя радиосигналы.
2.1. Радиоэлектронные системы передачи информации
К классу радиоэлектронных систем передачи информации относятся такие, которые передают сообщения из одной точки пространства в другую (другие) или от одного момента времени к другому. В последнем случае радиоэлектронные системы называются системами запоминания и/или хранения информации. На практике, в реальной жизни, процессы передачи информации в пространстве и во времени совмещаются: переносу сообщений в пространстве сопутствует их задержка на время распространения и на время обработки сигналов, а запоминание обязательно связано с перемещениями сигналов между разными физическими носителями информации.
Типичная функциональная схема радиоэлектронной системы передачи информации приведена на рис.2.1.
Рис. 2.1. Упрощенная функциональная схема радиоэлектронной системы передачи информации
Источником сообщений может быть любой процесс, протекающий в живых организмах или объектах неживой природы. Датчик преобразует сообщение C(t) в сигналыS(t), имеющие, как правило, вид электрических колебаний напряжений или токов. Если сообщением является речь, датчиком служит микрофон. Датчиком телевизионного сигнала служит видеокамера, преобразующая в электрические колебания распределение яркости (освещенности) объектов, расположенных перед ее объективом. Применяются и другие датчики – электрофизические преобразователи исходного сообщения в сигнал. Все большее распространение получают системы передачи информации, представленной в цифровой форме, в виде чисел. В таких системах датчик, кроме того, обеспечивает преобразование исходного аналогового сообщения в цифровую форму. Перевод в цифровую форму производится аналого-цифровым преобразователем (АЦП).
Кодер преобразует сигнал с выхода датчика S(t) в такую форму Sк(t), которая пригодна для распространения сигнала по дальнейшим цепям и каскадам радиоэлектронной системы передачи информации. Можно сказать, что кодер переводит сообщение с языка датчика на язык канала передачи информации. В процессе кодирования сигнал подвергается таким преобразованиям, которые улучшают качество работы всей системы передачи информации. Прежде всего – улучшают помехоустойчивость сигналов против помех и искажений в процессе передачи информации.
Шифрующее преобразование превращает кодированный сигнал в криптограмму (шифровку), смысл и содержание которой недоступен любому получателю информации, не имеющего на это соответствующих прав и полномочий. Это преобразование не является принципиально необходимым для передачи сообщений, но все чаще применяется в современных информационных и, прежде всего, в радиоэлектронных системах. Кроме того, специальные криптографические преобразования способны наделять сообщения свойством аутентичности, т.е. удостоверять законного получателя информации в том, что сообщения подлинны, не искаженны и созданы уполномоченным на то датчиком.
Модулятор преобразует сигнал, содержащий сообщение, в форму таких колебаний, которые могут излучаться антеннами и распространяться в пространстве в виде электромагнитных волн. Дело в том, что сообщения C(t) и соответствующие им сигналыS(t) – медленные колебания, не способные создавать быстропеременные (высокочастотные) электромагнитные поля и распространяться в пространстве на сколько-нибудь значительные расстояния. Для того передачи таких медленных сигналов используют несущие колебания, создаваемые задающим генератором. Процесс наложения информационных сигналов на несущее колебание называется модуляцией и происходит в модуляторе радиопередатчика.
Усилитель мощности модулированного радиосигнала создает такое колебание, которое излучается передающей антенной и создает достаточный уровень мощности сигнала в точке расположения приемной антенны. Излучение – это преобразование сигнала, подведенного от передатчика к антенне в электромагнитное поле. Приемная антенна совершает обратное преобразование – электромагнитного поля в колебание электрического тока или напряжения на входе приемного устройства радиосистемы передачи информации.
Трасса распространения радиосигнала пролегает в среде, где могут существовать и распространяться электромагнитные поля. В этой среде существуют поля, созданные многими излучателями как искусственного, так и естественного, природного происхождения. И все эти поля создают сигналы на входе приемного устройства. Большинство сигналов не информативно для данной конкретной системы и мешают приему полезных, информативных сигналов. То есть являются для нее помехами.
Приемник усиливает радиосигнал до уровня, нужного для работы последующих устройств. Не менее важно, что приемник в максимально возможной степени очищает полезный принятый сигнал от вредного действия помех. Очистка от помех чаще всего называется фильтрацией.
Демодулятор, дешифратор и декодер выполняют операции, обратные тем, что производятся на передающей стороне радиолинии.
Выходной преобразователь представляет сообщение, переносимое сигналом, в форму, нужную получателю информации, т.е. переводит сообщение с языка канала связи на язык получателя.
Цепь последовательно включенных устройств, преобразующих сигнал в процессе его передачи, и трассы распространения называется каналом передачи информации.
Общая структурная схема системы передачи информации рис.1.1. может быть детализирована и конкретизирована для разных случаев и применений.
Так если система служит для передачи информации между людьми (если люди являются абонентами системы связи – источниками и получателями информации) то это система связи.
Если источниками информации являются некоторые автоматические устройства Электронно-вычислительные машины, измерительные приборы и приборы контроля, то система передачи информации именуют системой передачи данных.
Весьма распространены системы, использующие одни и те же передающие, приемные и некоторые другие устройства для передачи сообщение от нескольких источников информации. Такие системы называются многоканальными. Многоканальность обеспечивается устройством уплотнения (мультиплексером) каналов на передающей стороне и устройством разделения (демультиплексером, селектором) каналов на стороне приемной. Устройства уплотнения объединяют сигналы многих датчиков в один общий групповой сигнал, наделяя этот сигнал специальными возможностями для осуществления обратной операции разделения принятого группового сигнала между многими получателями с минимумом взаимных помех.
Если абоненты системы радиосвязи могут быть и источниками, и получателями информации (а это чаще всего и случается), устройства преобразования сигнала должны совмещать выполняемые функции. Поэтому в таких системах появляются устройства, предназначенные для выполнения как операций модуляции, так и демодуляции (модемы), кодирования и декодирования (кодеки), мультиплексирования и селектирования каналов (мультисеки).
В тех весьма распространенных случаях, когда многие источники и получатели информации разнесены в пространстве, а циркулирующие по системе сообщения формируются в произвольные несогласованные друг с другом моменты времени, радиоэлектронная система передачи информации превращается в радиосеть. Существуют сети радио- и телевизионного вещания, сети связи, сети передачи данных.
Исторически первыми появились именно радиосистемы передачи информации. Они открывали совершенно невиданные ранее и очень важные возможности для связи с подвижными объектами. Пока радиоаппараты (передатчики и приемники) были громоздкими, удавалось создать мобильные системы связи только с кораблями. Но, по мере совершенствования элементной базы и конструкций, по мере освоения все более высокочастотных диапазонов радиоволн, радиосистемы начали применяться и для связи между самолетами, автомобилями, космическими аппаратами. В наше время уже созданы мобильные радиосети для информационного общения людей между собой и с абонентами других информационных систем и сетей.
Плотность распространения абонентов информационных сетей в пространстве не постоянна. В городах она выше, чем за городом. Но и в городах абоненты группируются по-разному. В учреждениях, на вокзалах, в торговых и других центрах на единицу площади приходится больше абонентов, чем на улицах и в парках. И направления вызовов очень сильно различаются. Чаще других абоненты вызывают близких абонентов. Реже обращаются к услугам междугородной, а еще реже – международной связи. Поэтому сети мобильной связи совершенствуются, организуясь в сложную структуру, как на рис. 2.2. Эта структура предусматривает использование пикоячеек, рассчитанных на обслуживание многих абонентов, сгруппированных в малом объеме. Например – в отдельных зданиях. Микроячейки рассчитываются на обслуживание мобильных абонентов в зонах с меньшей плотностью, чем в пикоячейках. Макроячейки объединяющие пикоячейки и микроячейки. Наконец гиперячейки создаются для обслуживания абонентов на железнодорожном, морском, междугороднем автомобильном и воздушном транспорте. Для поддержки таких ячеек требуется использование глобальных, прежде всего – спутниковых систем связи и передачи данных.
Рис.2.2. Сложная архитектура построения современной мобильной сети передачи информации