lektsii_ORE_2015

ЛЕКЦИЯ №1

1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАДИОЭЛЕКТРОНИКЕ

Радиоэлектроника как наука о передаче, преобразовании и приеме информации

1)Информация есть отражение реального мира

2)Информация есть все сведения (данные), являющиеся объектом хранения, передачи, преобразования.

Информация - совокупность сведений об объектах, рассматриваемая с позиций передачи этих сведений в пространстве и во времени.

Сообщение - это информация, выраженная в определенной форме и предназначенная для передачи от источника к пользователю (тексты, фото, речь, музыка, телевизионное изображение и др.).

Сигнал - это физический процесс, распространяющийся в пространстве и времени, параметры которого способны отображать (содержать) сообщение.

Теория сигналов и передачи информации изучает процессы формирования, накопления, сбора, измерения, переработки и преобразования (прохождения через цепи), хранения, передачи и приема информации,

т. е. все процессы, которые имеют место при передаче информации на расстояние по определенным физическим средам (линиям связи) с помощью электрических сигналов.

Наиболее распространен сигнал в электрической форме в виде зависимости напряжения от времени U(t).

1.1.Общая схема передачи информации:

ИИ - источник информации (сообщение)

ПС - преобразование в электрический сигнал Кд – кодирование М - модулятор

ГН - генератор несущей РУ - регистрирующее устройство

ДО - декодирование, обработка, выделение из помех УНЧ - усилитель низкой частоты Д - детектор (демодулятор)

УВЧ - усилитель высокой частоты ИВЦ - избирательная входная цепь

Канал передачи информации - комплекс устройств, используемых для передачи информации от источника до получателя, а также разделяющая их среда.

Рассмотрим каждый этап канала.

1.Сообщение может быть в виде знаков (печать), звуковых сигналов (речь, музыка), светового изображения или сигнала и др.

2.Преобразование речи и музыки в электрический сигнал осуществляется с помощью микрофона, преобразование изображений - с помощью телевизионных передающих трубок.

Письменное сообщение сначала кодируется, когда каждая буква текста заменяется комбинацией стандартных символов (точки - тире, ноль

-единица), которые затем преобразуются в стандартные электрические сигналы (например, импульсы разной длительности, полярности и т. д.). Кодированию могут подвергаться все сообщения, причем одновременно может производиться их шифровка.

Врадиолокации информация вносится при распространении сигнала в свободном пространстве.

3.Генерация высокочастотных колебаний. Основные требования:

диапазон частот, стабильность частоты, мощность (до миллионов ватт).

4. Модуляция- изменение одного или нескольких параметров высокочастотного колебания по закону передаваемого сообщения. Частоты модулирующего сигнала должны быть малы по сравнению с частотой несущей.

5.Выделение нужного сигнала в приемнике из всех колебаний в эфире осуществляется входной избирательной цепью с помощью резонансных

колебательных систем ff до 10-5¸10-6.

6. Усиление слабых сигналов в приемнике.

Антенна принимает сигнал мощностью 10-10¸10-14 Вт ( ~ 10-6 В). На выходе приемника для надежной регистрации сигнала требуется мощность порядка единиц ватт, т. о. необходимо усиление по мощности до 1010¸1014, по напряжению - до 107. Это достигается с помощью многокаскадных усилителей высокой, промежуточной и низкой частот.

7.Детектирование (демодуляция) - выделение низкочастотного сообщения (информационного электрического сигнала) из модулированного высокочастотного сигнала. Осуществляется с помощью различного рода детекторов (синхронных, амплитудных, квадратичных).

8.Декодирование - восстановление исходной формы информационного сообщения из электрических сигналов стандартной формы после детектирования. Для зашифрованных сигналов производится расшифровка. В простейшей системе связи кодирующее и декодирующее устройства могут отсутствовать. При передаче сообщения по проводам (телеграф) могут отсутствовать радиопередающее и радиоприемное устройства.

1.2 ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

Электромагнитная волна – это распространяющиеся в пространстве чередующиеся электрические и магнитные поля. Меняющееся во времени электромагнитное поле обязательно вызывает появление переменного магнитного поля, и наоборот. Эти поля взаимно связаны.

Основным источником спектра электромагнитных волн является звезда Солнце. Часть спектра электромагнитных волн видит глаз человека.

Этот спектр лежит в пределах 380...780 нм (рис. 1.1). В области видимого спектра глаз ощущает свет по-разному. Электромагнитные колебания с различной длиной волн вызывают ощущение света с различной окраской.

Часть спектра электромагнитных волн используется для целей радиотелевизионного вещания и связи.

Источник электромагнитных волн — провод (антенна), в котором происходит колебание электрических зарядов. Процесс формирования полей, начавшийся вблизи провода, постепенно, точку за точкой, захватывает все пространство.

Чем выше частота переменного тока, проходящего по проводу и порождающего электрическое или магнитное поле, тем интенсивнее создаваемые проводом радиоволны заданной длины.

Электромагнитные волны имеют следующие основные

характеристики.

1. Длина волны в в, — кратчайшее расстояние между двумя точками в

пространстве, на котором фаза гармонической электромагнитной волны меняется на 360°. Фаза — это состояние (стадия) периодического процесса

(рис. 1.2).

В наземном телевизионном вещании используются метровые (MB) и дециметровые волны (ДМВ), в спутниковом — сантиметровые волны (СМ) и диапазон миллиметровых волн (Ка-bаnd).

2. Период колебания волны Т— время, в течение которого происходит одно полное изменение напряженности поля, т. е. время, за которое точка радиоволны, имеющая какую-то фиксированную фазу, проходит путь,

равный длине волны в

3.Частота колебаний электромагнитного поля F (число колебаний поля в секунду) определяется по формуле

F=1/T, T=1/F

Единицей измерения частоты является герц (Гц) — частота, при которой совершается одно колебание в секунд .

4.Скорость распространения волны С—скорость последовательного распространения волны от источника энергии (антенны).

Скорость распространения радиоволн в свободном пространстве (вакууме) постоянна и равна скорости света С= 300 000 км/с.

При распространении в реальном пространстве, например -в воздухе, скорость движения радиоволны зависит от свойств среды, она обычно меньше С на величину коэффициента преломления среды.

Частота электромагнитных волн F, скорость их распространения С и длина волны в связаны соотношением

в =C/F, а так как F=1/T , то в =С*T.

Подставляя значение скорости С= 300 000 км/с в последнюю формулу, получаем

в (м)=3*108/F(м/c*1/Гц)

Для больших значений частот длину волны электромагнитного колебания можно определить по формуле в (м)=300/F(МГц)

Зная длину волны, частоту определяют по формуле F(МГц)=300/ в (м)

Разделение электромагнитных волн по частотам и длинам волн

Длинные:	в = 10 км-1 км,		f = 30 кгц -300 кгц.
Средние:	в = 1000 м -100	м,	f = 300 кгц - 3 Мгц.
Короткие:	в =100 м -10 м,		f = 3 Мгц - 30 Мгц.

Ультракороткие (СВЧ):
	метровые:	в = 10 м - 1 м,	f = 30 Мгц - 300 Мгц;
	дециметровые:	в = 1,0 м - 0,1 м,	f = 300 Мгц - 3 Ггц;
	сантиметровые:	в = 10 см -1 см,	f = 3 Ггц - 30 Ггц;
	миллиметровые:	в = 10 мм - 1 мм,	f = 30 Ггц - 300 Ггц.

субмиллиметровые: в = 1,0 мм - 0, 8 мм,					f = 300 Ггц - 400 Ггц.
Инфракрасное	1 мм —	300	ГГц —		Излучение молекул и атомов
излучение	780 нм	429 ТГц			при	тепловых			и
Видимое (оптическое)	780—	429	ТГц —
					электрических воздействиях.
излучение	380 нм	750 ТГц
	380 —	7,5×1014			Излучение			атомов	под
Ультрафиолетовое		Гц — 3×1016			воздействием			ускоренных
	10 нм	Гц			электронов.
	10 нм —	3×1016 —			Атомные		процессы		при
Рентгеновские	5 пм	6×1019 Гц			воздействии			ускоренных
					заряженных частиц.
Гамма	менее	более 6×1019			Ядерные		и	космические
	5 пм	Гц			процессы,			радиоактивный
					распад.

На выбор того или иного диапазона волн для каждой конкретной системы связи оказывают влияние следующие факторы:

а) Особенности распространения электромагнитных волн данного диапазона, состояние пространства, в котором распространяется волна.

Длинные волны сильно поглощаются землей,

короткие и ультракороткие не огибают препятствия.

Длинные, средние и короткие могут отражаться от верхних слоев

атмосферы.

б) Технические условия:

направленность излучения,

применение антенной системы соответствующих размеров,

генерирование мощных колебаний и управление ими,

схема приемного устройства.

Направленность излучения можно обеспечить, если антенное устройство по размерам существенно превышает длину волны

Большая мощность колебаний требуется на длинных волнах вследствие поглощения землей, а на других диапазонах - при сверхдальней космической связи. Освоение новых диапазонов по мере освоения электронных приборов и генераторов сигналов.

в) Характер шумов и помех в данном диапазоне. Регулярно проводятся исследования прохождения радиоволн различных диапазонов.

г) Характер сообщения (количество информации и связанная с этим ширина спектра (диапазон частот)).

Vмакс= f*log2(1+S/N) – формула ШЕННОНА

где Vмакс – максимальная скорость передачи (бит/сек), f – полоса пропускания линии передачи и, одновременно, полоса частот, занимаемая сигналами (если не используется частотное разделение каналов), S/N – отношение сигнал/шум по мощности.

Так, телевидение ввиду большого объема передаваемой информации должно иметь широкий спектр частот, поэтому оно возможно только на

УКВ.

1.3.ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ И ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ

Александр Степанович Попов 7 мая 1895 года - беспроволочная связь. Независимо от Попова, но позже него Маркони (англичанин итальянского происхождения) в конце 1895 г. повторил опыты Попова по радиотелеграфии. Работы Попова опубликованы в январе 1896 г., а Маркони

-в 1897 г.

В1831 г. Майкл Фарадей -явление электромагнитной индукции.

В1864 г. Джеймс Максвелл теоретически предсказал электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью света.

В1887 г. Генрих Герц экспериментально доказал, что колебательный разряд вызывает в пространстве волны электромагнитной природы, описываемые теорией Максвелла.

В1884 г. Эдисоном открыта термоэлектронная эмиссия, и пока в 1901 г. Ричардсон изучал это явление, уже были созданы электронно-лучевые трубки.

В 1904 г. - первая электронная лампа-диод (Флеминг, Англия) и использована для выпрямления высокочастотных колебаний в радиоприемнике.

В 1905 г. Хелл (США) изобрел газотрон, в 1907 г. Форест (США) ввел в

лампу управляющую сетку-триод.

Первые отечественные триоды изготовили в 1914 -1916 г. г. Независимо - Папалекси Н. Д. и Бонч-Бруевич М. А. Электроника и радиотехника объединились в радиоэлектронику.

В1918 г. создана Нижегородская радиолаборатория, разрабатывающая ламповые приемники и передатчики (до этого использовали искровые и машинные).

В1922 г. в Москве вступила в строй 12-киловатная радиотелефонная станция, мощность которой больше суммарной мощности всех радиостанций мира.

В1933 г. - самая мощная радиостанция им. Коминтерна (500 кВт).

1948 г. - Теория передачи информации - фундаментальная работа американца К. Шеннона «Математическая теория связи»

Биполярный транзистор разработан фирмой "Bell Systems" в 1947

году!

Полевой транзистор. Первые патенты на принцип работы полевых транзисторов были зарегистрированы в Германии (1928г.) на имя Юлий Эдгар Лилиенфелд. – Но первый МОП был изготовлен только в 1960 году.

ЛЕКЦИЯ №2

2. СИГНАЛЫ И СПЕКТРЫ

Классификация радиотехнических сигналов a) С информационной точки зрения:

- детерминированный – сигнал, мгновенное значение которого в любой момент времени можно предсказать с вероятностью 1.

Строго говоря, таких сигналов не существует из-за неизбежного взаимодействия их с радиотехническими системами, окружающей средой, помехами, шумами и т.д.;

- случайные – мгновенные значения которых заранее не известны и могут быть предсказаны лишь с некоторой вероятностью, меньшей 1 (примеры: радиолокационный сигнал, радиоастрономический сигнал, акустический сигнал,). В качестве основных характеристик случайных сигналов принимают:

1.закон распределения вероятности (относительное время пребывания величины сигнала в определенном интервале);

2.спектральное распределение мощности сигнала.

б) По характеру их изменений во времени;

- непрерывные во времени и произвольные по величине (аналоговые или континуальные).

Такие сигналы можно толковать как электрическую модель физической величины:

- дискретные во времени и произвольные по величине;

в) По времени существования сигнала:

- непрерывные;

г) По функции, описывающей сигнал:

-вещественные y=a(t);

-комплексные y=a(t)+ib(t)

Сигнал s(t) - изменение во времени одного из параметров физического процесса.

Рис.1.10 Формы представления сигналов.

Использование сигналов в радиоэлектронике и связи В радиоэлектронике и связи используются только

детерминированные сигналы Детерминированным называется сигнал, который точно определен в

любой момент времени (например, задан в аналитическом виде). Детерминированные сигналы могут быть периодическими и

непериодическими.

Периодическим называется сигнал, для которого выполняется условие s(t) = s(t + кT), где к - любое целое число, Т - период, являющийся конечным отрезком времени. Пример периодического сигнала - гармоническое

колебание s(t) Acos( 2T t )

Любой сложный периодический сигнал может быть представлен в виде суммы гармонических колебаний с частотами, кратными основной частоте

2

Т

Непериодический сигнал, как правило, ограничен во времени.

Детерминированные сигналы

Цифровой сигнал представляет из себя комбинацию импульсов одинаковой амплитуды, выражающих в двоичном виде дискретные отсчеты сигнала

2.2.Гармонические колебания

Гармоническими колебаниями называются такие колебания, при которых колеблющаяся величина меняется от времени по закону синуса или

косинуса.

Уравнение гармонических колебаний имеет вид:

,

где A - амплитуда колебаний (величина наибольшего отклонения системы от положения равновесия); . Величина x может принимать значения, лежащие в пределах от -A до +A.

- круговая (циклическая) частота.

Фаза колебаний - периодически изменяющийся аргумент косинуса - который определяет смещение колеблющейся величины от положения равновесия в данный момент времени t.

Начальная фаза колебания.φ - значение фазы в момент времени t = 0

Период гармонических колебаний равен: T = 2π/ .	- промежуток
времени T, через который повторяются определенные состояния
колебательной	системы,

Косинус - периодическая функция с периодом 2π, поэтому за промежуток времени T, через который фаза колебаний получит приращение равное 2π, состояние системы, совершающей гармонические колебания,

функция будет повторяться.
		Частота		гармонических
колебаний равна: ν = 1/T. Единица
измерения частоты герц (Гц) - одно
колебание			в	секунду.
		Круговая частота = 2π/T =
2πν дает число колебаний за 2π
секунд.		Метод		вращающейся
амплитуды			позволяет наглядно
представить все параметры, входящие
в	уравнение			гармонических

колебаний. Действительно, если вектор амплитуды А расположен под углом φ к оси х (см. Рисунок 1.1. Б),

то его проекция на ось х будет равна: x = Acos(φ).

Длина вектора равна амплитуде гармонического колебания, направление вектора в начальный момент образует с осью x угол равный начальной фазе колебаний φ, а изменение угла направления от времени равно фазе гармонических колебаний.

Число оборотов вектора в секунду равно частоте колебаний ν.

Если вектор А привести во вращение с угловой скоростью , равной круговой частоте колебаний, то проекция конца вектора будет перемещаться